Металлогидридные системы очистки и аккумулирования водорода

Создание универсальных, эффективных и безопасных систем хранения водорода в твердофазном связанном состоянии и его очистки является ключевой проблемой водородной энергетики, актуальность этой определяется широким перспективным распространением энергоустановок на базе топливных элементов и ростом потребления высокочистого водорода в различных высокотехнологичных производствах. Эксплуатационные характеристики систем должны соответствовать требованиям потребителей водорода – низкотемпературных топливных элементов, нуждающихся в водородном топливе высокой чистоты (>99,98%).

Описание технологии: электролизер повышенного давления используется для получения водорода и кислорода от первичного ВИЭ, металлогидридная система твердофазного обратимого хранения и очистки водорода – для безопасного долговременного хранения водорода, и энергоустановка на базе топливных элементов – для обеспечения потребителя электроэнергией.

Концепция твердофазной обратимой системы хранения и очистки водорода для топливообеспечения системы энергообеспечения на базе топливного элемента.

Преимущества технологии:

  • Полный КПД использования мощности ВИЭ достигает 60%
  • Высокая степень безопасности и экологическая чистота, возможность модульного исполнения

Ожидаемый эффект:

  • Расширение рынка энергоустановок на основе ВИЭ (до 25 ГВт к 2030 г.)
  • Решение проблем энергообеспечения потребителей, удаленных от сетей (более 20 млн. жителей РФ

Разрабатываемая новая техника: Металлогидридная система очистки и хранения водорода, интегрированная с топливным элементом.

В нашей лаборатории проводится комплекс фундаментальных и прикладных работ по развитию технологий твердофазного хранения и очистки водорода.

Тепловая проблема

В активированном состоянии твердофазные водородопоглощающие материалы представляют собой мелкодисперсные (с размером частиц до 1-10 мкм) засыпки, характеризующиеся низкой эффективной теплопроводностью и значительным тепловым эффектом реакции поглощения/выделения водорода. в области создания новых водородопоглощающих материалов наша лаборатория активно сотрудничает с ведущими организациями нашей страны, такими как МГУ, ИПХФ РАН, ИФМ УрО РАН и др.

Из-за низкой эффективной теплопроводности засыпок процессы теплообмена внутри устройств твердофазного хранения водорода становятся определяющими, учитывая значительные тепловые эффекты реакции поглощения/выделения водорода. Так, например, для заправки системы 5 кг H2 в течение 10 минут необходима надежная система охлаждения мощностью более 150 кВт. Результаты наших экспериментальных исследований показывают, что внешнего охлаждения засыпок поглощающих материалов недостаточно для обеспечения эффективной работы устройств, необходимо внутреннее охлаждение с помощью теплообменников типа «трубный пучок» и/или использование тонкослойных засыпок.

Математическая модель

В сотрудничестве со специалистами Московского энергетического института (ТУ) нами была разработана трехмерная математическая модель процессов тепломассообмена в реакторах твердофазного хранения и очистки водорода. Модель включает в себя систему трехмерных нестационарных уравнений сохранения массы и энергии и замкнута с использованием соотношений для кинетики реакции, эффективной проницаемости и теплопроводности среды. Модель учитывает наличие примесей в водороде, реальную геометрию реактора, гравитационные эффекты.

Концентрация запасенного водорода в сплаве AB5 (H/Me) (слева) и перегрев засыпки относительно охлаждающей жидкости(ΔT = T— T0, T0= 20 °C) (справа) для модельного цилиндрического реактора с охлаждающим трубным пучком, помещенным внутрь засыпки, водород подается через пористые стенки центральной трубы. Расчеты по 3D модели МЭИ-ОИВТ РАН. Видно, что сильный перегрев на начальном этапе реакции тормозит зарядку реактора.

Чистота водорода

Чистота водорода является критическим фактором для многих водородных технологий, особенно для твердополимерных топливных элементов.

Металлогидриды селективно поглощают водород и могут быть использованы для его высокоэффективной очистки. В то же время в процессе сорбции нейтральные примеси быстро заполняют объем реактора, тормозя поглощение водорода.

Очистка по методу циклирования

На основании экспериментальных исследований и опыта создания металлогидридных реакторов мы предложили использовать для очистки метод циклирования, подобный известному методу короткоцикловой адсорбции. По мере заполнения реактора, примеси выдуваются из свободного объема. Проведенные эксперименты показали существенное увеличение скорости зарядки реакторов.

Экспериментальные исследования

В Лаборатории водородных энергетических технологий ОИВТ РАН создан комплексный экспериментальный стенд по изучению проблем твердофазного хранения и очистки водорода и их системной интеграции с энергоустановками на базе топливных элементов.

Комплексный экспериментальный стенд Лаборатории водородных энергетических технологий ОИВТ РАН

Стенд позволяет осуществлять:

  • Исследования фундаментальных процессов тепломассопереноса при поглощении и выделении водорода в дисперсных твердофазных водородопоглощающих материалах с учетом наличия примесей в водороде;
  • Исследования свойств водородопоглощающих материалов;
  • Оптимизацию конструкции устройств твердофазного хранения и очистки водорода;
  • Решать задачи системной интеграции с энергоустановками на базе топливных элементов.

Исследования систем хранения и очистки водорода проводятся при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям, Российской академии наук и Российского Фонда Фундаментальный Исследований. Работы наших молодых специалистов отмечены молодежным грантом Фонда премии «Глобальная энергия».