Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии

http://thermophysics.ru/hydrdb/TZ.htm

Тема № 6. Исследование и разработка новых технологий хранения водорода

1. Исполнитель: Российская академия наук. Головная организация  – Объединенный институт высоких температур РАН.

2. Состояние исследований и разработок в области реализации соответствующего направления.

Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах и композитных наноструктурных материалах, в том числе на основе металлуглеродных и каталитических наноструктур – наиболее безопасно и для многих приложений наиболее эффективно. Исследования и разработки таких новых технологий охватывают как создание и исследование новых металлогидридных систем, так и систем на основе новых водородопоглощающих материалов.

В настоящее время металлогидридные технологии разрабатываются для применений в ряде областей новой техники: при создании систем хранения и очистки водорода, термосорбционных преобразователей тепловой энергии, термокомпрессоров водорода, систем водородного аккумулирования электроэнергии, компактных энергоисточников для бытовой электроники и др. В созданных к настоящему времени низкотемпературных обратимых МеНу системах хранения весовое содержание доступного водорода не превышает 2% при его объемной плотности превышающей плотность жидкого водорода. Для крупномасштабных и транспортных систем аккумулирования низкое массовое содержание Н₂ является серьезным барьером, на преодоление которого направлены усилия отечественных и зарубежных специалистов. Основная задача этих исследований – создание поглощающих материалов с весовым содержанием Н₂ более 2-3%. Существенно большего весового содержания Н₂ (до 5% вес)  удается достичь для высокотемпературных обратимых металлогидридных систем. Однако, для их функционирования необходимы источники высокопотенциального тепла, что снижает экономическую эффективность таких систем аккумулирования. Важной задачей разработок в этой области является снижение уровня требуемых температур при одновременном увеличении сорбционной емкости водородопоглощающего материала. Другая особенность металлогидридных систем аккумулирования Н₂ – большие времена зарядки, т.е. относительно низкая плотность потока энергии в устройстве, определяемая не только микрокинетикой сорбции водорода частицами сплава, но и, главным образом, процессами тепломассопереноса в мелкодисперсной пористой системе твердые частицы-газ при наличии реакции сорбции с большими тепловыми и объемными эффектами. Ограничения производительности (мощности) металлогидридных систем, связанные с процессами тепломассопереноса в среде металлогидрида, становятся особенно существенными при наличии в газообразном водороде малых примесей неабсорбируемых газов, что в практических применениях встречается часто. В этой связи важнейшими задачами при создании эффективных  устройств для хранения водорода в твердофазном связанном состоянии являются разработки новых поглощающих материалов (в том числе композитных, каталитических и наноструктурных) с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной емкостью по водороду, а также новых методов интенсификации процессов тепломассопереноса в мелкодисперсных водородопоглощающих системах, оптимизации на этой основе конструкций соответствующих устройств и создание новых типов аккумуляторов водорода. Важным аспектом проблемы является разработка методов и систем обеспечения безопасности при хранении водорода в составе энергоустановок различных типов.

Решение указанных проблем приведет к радикальному расширению практического использования аккумулирующих устройств с применением водопоглощающих материалов в автотранспорте и автономной энергетике для целей безопасного хранения Н₂ на борту транспортных средств и в составе автономных и транспортабельных энергоустановок на базе топливных элементов.

3. Цель и основные задачи исследований в области реализации соответствующего направления.

Исследования по теме направлены на комплексное решение базовых проблем, определяющих возможность создания и использования эффективных аккумуляторов водорода для различных применений и прежде всего – для аккумулирования и безопасного хранения водорода в стационарных условиях и на транспортных установках:

исследования и разработка новых интерметаллических соединений, сплавов каталитических и композитных систем  с улучшенной кинетикой сорбции, обеспечивающих аккумулирование водорода в количестве более (2-3)% от насыпного веса материала при температурах от 20°С до 100°С и давлениях, не превышающих 100 атм. Создание базы данных о их физико-химических свойствах;

исследования и разработка новых интерметаллических, каталитических и композитных материалов, обеспечивающих аккумулирование водорода в количестве до 8-10% от веса материала при температурах не выше 400°С. Создание базы данных о их физико-химических свойствах;

исследования и разработки новых композитных материалов, поглощающих свыше 8% вес. водорода при высоких давлениях и технологии их практического использования;

исследования процессов тепломассопереноса при сорбции/десорбции водорода в мелкодисперсных водородопоглощающих  средах и модельных экспериментальных аккумуляторах водорода, разработка адекватных математических моделей, обеспечивающих возможность оптимизации конструкции и режимов работы аккумуляторов водорода, в том числе при наличии в водороде неабсорбируемых газовых примесей;

создание экспериментальных систем аккумулирования и очистки водорода с использованием интерметаллических, каталитических и композитных материалов, их испытания и исследование процессов аккумулирования и выделения водорода, анализ патентной информации и разработка ТЗ на создание опытно-промышленных изделий;

разработка методов и средств обеспечения безопасности систем хранения водорода;

разработка математических моделей, моделирование и анализ схемных решений и эффективности комбинированных систем хранения водорода, анализ патентной информации и разработка предложений по патентной защите разработок.

По всем указанным направлениям выполняется анализ существующих технологий и конкурентоспособности разрабатываемой продукции с определением элементов существенной новизны и целесообразности патентования разрабатываемых технологических процессов, материалов и оборудования, а также анализ перспективного рынка разрабатываемых технологий и оборудования.

4. Ожидаемые результаты исследований и целевые ориентиры технических и экономических параметров.

Будут разработаны и созданы:

интерметаллические соединения и композитные материалы с улучшенной кинетикой сорбции, обеспечивающие обратимую абсорбцию доступного водорода свыше 2-3% вес. при температурах от 20°С до 100°С и давлениях ниже 100 атм.;

интерметаллические соединения и композитные материалы, обеспечивающие обратимую абсорбцию доступного водорода в количестве до 8-10% вес. при температурах не выше 400°С;

новые технологические процессы получения водородопоглощающих материалов, в том числе нанокристаллических интерметаллидов и каталитических систем с повышенной емкостью и улучшенной кинетикой сорбции;

исследованы процессы тепломассопереноса при сорбции/десорбции в водородопоглощающих средах и модельных экспериментальных аккумуляторах водорода, разработаны адекватные математические модели и коды, обеспечивающие возможность оптимизации конструкции и режимов работы аккумуляторов водорода, в том числе при наличии в водороде малых неабсорбируемых газовых примесей;

созданы экспериментальные системы аккумулирования и очистки водорода для использования в автономной энергетике и транспорте в сочетании с топливными элементами и первичными источниками водорода различной производительности, разработаны методы и средства обеспечения безопасности при их эксплуатации в составе энергоустановок на базе топливных элементов, проведены их испытания и разработаны ТЗ на создание опытно-промышленных изделий;

выполнено экспертно-аналитическое и технико-экономическое исследование разрабатываемых технологий в сравнении с передовым зарубежным уровнем и анализ перспективного рынка;

5. Научно-техническая новизна, отличительные характеристики и особенности результатов исследований.

Новые поглощающие материалы и технологии аккумулирования водорода, в т.ч. при наличии в нем непоглощаемых газовых примесей, обеспечивающие содержание Н₂ более 3 % вес. при Т < 100°С и (8-10)% вес. при Т < 400°С, новые адекватные математические модели и коды для оптимизации конструкций аккумуляторов водорода, новые типы, схемы и режимы работы аккумуляторов, методы и средства обеспечения безопасности при их эксплуатации в составе энергоустановок на базе топливных элементов.

Промышленных аналогов не существует.

6. Соисполнители работ.

Для выполнения комплекса исследований и разработок привлекаются следующие организации-соисполнители: ИОХ РАН, ИФТТ РАН, ИФМ УрО РАН, ИК СО РАН, ИХТТМ СО РАН, ИОНХ РАН, ИПМЕХ РАН, ИМЕТ РАН, МГУ, НИХФИ, ИПХФ РАН (НЦЧ). Указанные организации проводят активные исследования в области получения новых водородопоглощающих материалов – интерметаллических соединений, наноструктурных, каталитических и композитных материалов, с использованием различных технологических процессов, а также выполняют комплексные исследования их физико-химических свойств, сорбционной емкости по водороду и кинетики процессов при различных эксплуатационных режимах. Выполнение широкого фронта поисковых и технологических исследований на первой стадии НИОКР позволит в течение достаточно короткого времени (II-IV кв.) создать необходимую базу данных и осуществить выбор наиболее перспективных материалов и направлений технологических разработок для последующих этапов работы.

Содержание исследований, выполняемых соисполнителями.

Выполняемые работы	Организация	Цена тыс. дол. США
Разработка металлогидридных и металл-углеродных материалов на основе Mg, РЗМ, Al, Ti, V, Ni с весовым содержанием выше 2-3% металлуглеродных нанокомпозитов (свыше 3,5%) при температурах ниже 3000 С.	ИПХФ (НЦЧ) РАН	280,7
Создание материалов для аккумулирования и безопасного хранения водорода с весовым содержанием до 3,5% при рабочих температурах менее 4000 С.	ИОНХ РАН	105,3
Носители водорода на основе нанокристаллических интерметаллидов Исследования и разработка новых водородоаккумулирующих интерметаллических, композитных, нанокристаллических и каталитических систем с возможностью обратимой сорбции/десорбции водорода при постоянном давлении и температуре не выше 4000 С в количестве более 5% вес.	ИФМ УрО РАН	175,4
Синтез металлогидридов, обеспечивающих хранение водорода в количестве более 5% вес. при температурах менее 4000 С.	ИК СО РАН	140,3
Механохимический синтез новых материалов, аккумулирующих водород, в количествах более 7 вес. %, при температуре менее 4000 С, и исследование их адсорбционных характеристик	ИХТТМ СО РАН	140,4
Исследования предельной сорбционной емкости перспективных материалов-аккумуляторов водорода, исследования и разработка технологии создания и использования аккумулирующих сред, поглощающих более 5% вес. водорода при высоких давлениях.	ИФТТ РАН	280,7
Разработка прочностных и ресурсных моделей материалов и элементов оборудования для хранения водорода в условиях возможного новодораживания и циклических нагружений.	ИП Мех РАН	70,2

7. Стоимость работ и обоснование запрашиваемого обеспечения реализации работ:

Объем финансирования, необходимый для обеспечения выполнения работ по теме на 2004 год составляет 2814 тыс. долларов США, в том числе на закупку специального оборудования – 526,3 тыс. долларов США. Структура цены прилагается.