CC BY
74
ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
ВОДОРОДА
А.В. Звягинцева, доцент, к.т.н., А.О. Артемьева, студентка, Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж
В связи с увеличивающимся спросом на энергетические ресурсы сегодня все чаще в качестве альтернативного энергетического носителя рассматривается водород. Одной из важнейших проблем использования водорода в энергетике и в системах питания является его безопасное хранение. Разрабатываемый нами способ гидридного хранения отвечает данному требованию, поэтому актуальность выбранной тематики несомненна. Химическое соединение водорода в форме металлических гидридов представляет привлекательную альтернативу традиционным способам хранения (криогенный и баллонный), которые небезопасны и энергоемки. В соответствии с классификацией департамента энергетики, 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: газовые баллоны; стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары; хранение в трубопроводах; стеклянные микросферы.
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.
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. Водород из гидридов металлов можно получить по двум основным 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.
Радикальным путем повышения конкурентоспособности
металлогидридного метода хранения водорода явилось бы создание новых абсорбентов водорода с водородоемкостью ~10 масс. %. Одним из них мог бы стать гидрид алюминия, модифицированный таким образом, чтобы обеспечить обратимость абсорбции/десорбции водорода в приемлемых для практики условиях. Другим интересным и перспективным путем увеличения массовой плотности связанного водорода является использование комплексных гидридов и амидов легких металлов. Однако пока недостаточно данных, подтверждающих высокую эффективность таких систем.
Научная новизна нашего проекта заключается в том, что мы впервые проводили исследования возможности электрохимических систем к поглощению водорода по двум направлениям [1-3]:
1. Формирование структуры металла и сплава с определенной степенью дефектности осуществлено электрохимическим методом с использованием в качестве нанообразующих добавок - бора. Показана возможность получения электрохимическим способом системы Мх-Ву-Ш, в которой, варьируя содержанием примеси неметалла - бором, можно увеличить содержание включаемого водорода. Получены электрохимическим методом системы МхВу, где у = 0.0,5 и имеющие порядка 3 % вес. водорода. Это без допирования их изотопом водорода дейтерием.
2. Дополнительное введение изотопа водорода дейтерия в металлическую никелевую матрицу методом ионной имплантации. Синтезирована электрохимическая система, например, Мх-Му-Ш композиты с фазовым составом - М70М30 со структурой, способной удерживать допированный водород. Впервые рассмотрена возможность дополнительного введения изотопа водорода дейтерия в электрохимическую систему с последующей термодесорбцией водорода. Получены образцы с содержанием водорода порядка 8-10 % вес.
Разработанные системы позволяют в широком интервале температур регулировать величину энергетических затрат на экстракцию водорода и обеспечивают экстракцию водорода при малых энергетических затратах и различных скоростях экстракции для дальнейшего его использования по назначению.
Основой нашего проекта является металлогидридное хранение, основными достоинствами которого являются: высокая объемная плотность водорода, приемлемый интервал рабочих давлений и температур, постоянство давления при гидрировании и дегидрировании, возможность регулирования давления и
скорости выделения водорода, высокая чистота выделяемого водорода, компактность и безопасность в работе (рис.).
Рис. Пример внешнего вида аккумулятора. Размеры образца, насыщенного водородом,
электрохимическим методом
Особо необходимо отметить экологическую значимость исследований: это поиск возможной замены углеводородного сырья на альтернативные источники энергии (без выбросов в атмосферу продуктов сгорания углеводородов). Необходимо отметить компактность электрохимических систем для хранения водорода в виде гидридов металлов. Применение альтернативных источников энергии хранения водорода в виде гидридов металлов в работе двигателей внутреннего сгорания может позволить сократить потребление топлива более чем на 50 %, снизить уровень загрязнения окружающей среды выбрасываемыми частицами на 90 % и выхлопами оксида азота на 50 %.
Список использованной литературы
1. Zvyagintseva A.V., Shalimov Yu.N. On the Stability of Defects in the Structure of Electrochemical Coatings. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2014. - Vol. 50. - No. 6. - P. 466-477.
2. Звягинцева А.В., Морозов А.Н., Кирьян И.М. Температурные интервалы десорбции дейтерия из Ni-In композитов. Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM'14. Сб. докл. V Междунар. конф. и IX Междунар. шк. молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова / Под ред. д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015. - С. 106119.
3. Власов Н.М., Звягинцева А.В. Математическое моделирование водородной проницаемости металлов /Монограф. Воронеж: ВГТУ, 2012. - 248 с.
