Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка высокоэффективных водород-аккумулирующих материалов и технологии создания на их основе безопасных и компактных систем хранения и очистки водорода для обеспечения работы топливных элементов

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.11.6033
Организация
ИПХФ РАН
Руководитель работ
Тарасов Борис Петрович
Продолжительность работ
2007 - 2008, 16 мес.
Бюджетные средства
18 млн
Внебюджетные средства
5 млн

Создание научно-технического задела для создания демонстрационной интегрированной системы хранения и очистки водорода на базе обратимых твердофазных низкотемпературных водородопоглощающих материалов для топливообеспечения энергоустановки с низкотемпературным твердополимерным топливным элементом мощностью от 1 до 5 кВт с использованием в качестве исходного топлива технического водорода, содержащего примеси.

Соисполнители

Организация
ИВТ РАН

Этапы проекта

1
14.06.2007 - 30.09.2007
Организация технически и экономически эффективного хранения и транспортировки водорода является одной из важнейших задач, успешное решение которой во многом будет способствовать дальнейшему прогрессу водородной энергетики.
Из известных методов хранения и транспортировки водорода определенные преимущества имеет металлогидридный способ, т.е. хранение водорода в форме гидридов металлов или интерметаллических соединений. Разработке этой темы посвящен первый этап работы по Государственному контракту № 02.516.11.6033.
Интерметаллические гидриды имеют подходящую для прикладного использования (например, для создания аккумуляторов водорода многократного действия) кинетику поглощения/выделения водорода в мягких условиях и поэтому в наибольшей мере подходят для эффективных комбинированных создания систем хранения водорода, особенно для питания низкотемпературных протон-обменных мембранных топливных элементов. При этом металлогидридный метод хранения водорода характеризуется высокой компактностью, безопасностью и не слишком высокими энергозатратами.
Для низкотемпературного металлогидридного аккумулирования водорода наиболее перспективны интерметаллическое соединение LaNi5 и его легированные другими металлами изоструктурные аналоги, которые представляет возможность регулировать давление дегидрирования. Показано, что для увеличения равновесного давления выделения водорода выше 2 атм необходимы сплавы лантана с никелем с замещением части лантана на мишметалл и церий. Такие интерметаллические соединения структурного типа CaCu5 состава La1-x(Ce)xNi5 и La1-x(Ce)xNi5 образуют гидридные фазы с равновесным давлением 2-50 атм, и на их основе планируется создавать аккумуляторы водорода многократного действия. Высокое давление дегидрирования позволяет сконструировать системы хранения водорода без внешнего нагревания и использовать их для питания низкотемпературных топливных элементов без дополнительных энергозатрат на выделение водорода.
Установлено, что с помощью интерметаллических соединений типа LaNi5 и СеСо3 можно очистить технический водород, содержащий значительные количества инертных по отношению к металлической фазе газов (Ar, He, N2, CH4, C2H6,…), до 1 % примесей CO2, (NH3), C2H4, C2H2, (C3H6) и следовых количеств (<0.1 %) O2 и H2O. При этом выделяющийся из гидридных фаз водород имеет чистоту более 99,99 %, что удовлетворяет требованию по чистоте водорода для обеспечения питанием низкотемпературных топливных элементов.
Полученные результаты по исследованию эвтектических сплавов магния в системах Mg–Ni Mg–La(Ce,Mm)–Ni показывают, что такие сплавы можно использовать для создания металлогидридных аккумуляторов водорода многократного действия, работающих в интервале температур 250-350оС. Однако для улучшения кинетики гидрирования нужно формировать композиционные материалы с добавкой катализаторов активации водорода, чему будут посвящены работы на следующем этапе.
Показано, что для улучшения кинетики гидрирования магния, обладающего высоким содержанием водорода, необходимо уменьшить дисперсность частиц металла. Определенное усилие в дальнейшей работе будет направлено на создание композитных материалов на основе синтезированных на первом этапе гидридов магния и алюминия с улучшенными водород-аккумулирующими и водород-генерирующими свойствами. Механический помол AlH3 при различных энергиях обработки в атмосфере аргона снижает температуру разложения гидрида. Механическая активация также вызывает частичную аморфизацию материала и повышает его химическую активность. Исследовано влияние различных добавок (LiH, MgH2, TiHx, VHx, LiNH2, графит) на термическую стабильность AlH3.
Установлено, что химические генераторы водорода картриджного типа (в частности для питания низкотемпературных топливных элементов) могут быть созданы на основе реакции взаимодействия гидрида магния с кислотными растворами. В дальнейшей работе основные усилия будут направлены на разработку методик приготовления модифицированого гидрида магния, который может реагировать с нейтральной водой или в присутствии кислых солей с выделением водорода, а также технических решений по регулированию процесса гидролиза для контролируемого выделения водорода.
Проведены теоретические расчеты тепло- и массообмена металлогидридной системы очистки и хранения водорода: модернизованы математические модели; верифицированы математические модели по результатам экспериментов; рассчитаны процессы тепломассопереноса в модельных металлогидридных реакторах; созданы новые узлы испытательных стендов и модернизирована экспериментальная база для проведения тестирования и испытаний.
Таким образом, работы, предусмотренные на первый этап научно-исследовательской работы «Разработка гидридобразующих интерметаллидов, металлов и сплавов для очистки и хранения водорода» по Государственному контракту № 02.516.11.6033 «Разработка высокоэффективных водород-аккумулирующих материалов и технологии создания на их основе безопасных и компактных систем хранения и очистки водорода для обеспечения работы топливных элементов» от «14» июня 2007 г., выполнены в полном объеме, в установленные сроки и в полном соответствии с Техническим заданием и Календарным планом.
Развернуть
2
01.10.2007 - 31.12.2007
Как было отмечено в отчете за первый этап, по величине водородсорбционной емкости и доступности наиболее привлекательны магний (в MgH2 – 7.6 масс. % водорода) и его сплавы (эвтектические сплавы Mg-Ni поглощают 5.8 масс. % водорода, а Mg-РЗМ-Ni – 5.5 масс. %). В процессе работы на втором этапе контракта разработаны магний-содержащие порошковые водородсорбирующие полиметаллические металлогидридные и металл-углеродные нанокомпозиты. Разработана методика формирования композитов "Mg-La(Mm)-Ni"–La(Mm)Ni5 путем обработки в шаровых мельницах гидрированных порошков и установлено, что такие композиты быстрее поглощают водород из-за активации водорода интерметаллическим соединением, не спекаются в условиях выделения водорода при дегидрировании. Для получения металл-углеродных композитов использована механическая активация смесей MgH2 с углеродными материалами, что привело к снижению температуры дегидрирования, повышению скорости дегидрирования и повторного гидрирования, а также снизило термическую стабильность гидридной фазы и предотвратило. Установлено также, что наличие углерода препятствует спеканию магния в ходе многократного повторения (циклирования) сорбции-десорбции и что для формирования композитов с улучшенными водородсорбционными характеристиками достаточно 5–10 масс. % углерода.
Разработана методика формирования «псевдосплавов» составов 72% Mg – 8% La(Mm) – 20% Ni и 72% Mg – 8% – 20% Ni путем обработки в шаровой мельнице смесей высокодисперсных гидридов MgH2, LaH3, Mg2NiH4 и отжига при температуре 300-350оС. Изучены процессы гидрирования и дегидрирования полученных "псевдосплавов" и установлено, что "псевдосплав" взаимодействует с водородом с большей скоростью, чем сплав тройной эвтектики (продолжительность 90%-ного насыщения – 10 мин), с сохранением водородсорбционной емкости (5.3 масс. %).
Развернуть
3
01.01.2008 - 31.05.2008
Для выполнения третьего этапа работы "Изготовление прототипа системы очистки и хранения водорода и определение его технико-эксплуатационных характеристик" был проведен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в соответствии с Техническим заданием и Календарным планом, который включал следующие позиции:
– изготовление действующих прототипов систем очистки и хранения водорода и экспериментальное определение технико-эксплуатационных характеристик;
– изучение циклической стабильности разработанных водородсорбирующих материалов на основе магния;
– изготовление и испытание прототипа аккумулятора водорода на основе композитов магния;
– исследование особенностей гидрирования наноструктурированных сплавов и композитов магния;
– разработка прототипа генератора водорода на основе гидрида магния, алюминия и композитов;
– изготовление прототипа генератора водорода и определение его технико-эксплуатационных характеристик.
Развернуть
4
01.06.2008 - 31.10.2008
Краткое описание выполненных работ:
1. Проведено испытание усовершенствованных металлогидридных систем очистки и хранения водорода c характеристиками, обеспечивающими непрерывную работу топливного элемента мощностью 5 кВт.
2. Обобщены результаты предыдущих этапов работ. Сделана оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
3. Разработано техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Продолжительность работ
2009 - 2010, 15 мес.
Бюджетные средства
3,7 млн
Организация
ОИВТ РАН
профинансировано
Тема
Создание научно-технического задела по технологиям безопасного хранения и очистки водорода на основе обратимых твердофазных аккумулирующих сред.
Продолжительность работ
2007 - 2008, 16 мес.
Бюджетные средства
36 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка многофункциональной системы твердофазного обратимого хранения водорода с участием научных организаций Швейцарии.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 16 мес.
Бюджетные средства
4 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка научно-технических основ технологии создания металлогидридных блоков очистки водорода для систем водородного охлаждения турбогенераторов.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
2
Тема
Исследования, разработки и создание новых технологий и систем безопасного хранения водорода в твердофазном связанном состоянии на основе обратимых металлогидридов и композитных наноструктурных материалов.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка методов синтеза высокоэффективных композиционных мембранных элементов для глубокой очистки водорода.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 17 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
2