Получение материалов электрохимическим методом на основе никеля, предназначенных для хранения водорода

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.