Хранение водорода в баллонах: Опасно ли хранение водорода?

Содержание

(PDF) ПРОБЛЕМЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА

464 В.Н. ФАТЕЕВ и др.

CHEMICAL PROBLEMS 2018 no. 4 (16)

Рис. 4. Схема вариантов использования наноструктурных материалов для хранения

водорода: (а) молекулярное хранение в пористом углероде, графене, BN нанотрубках,

MOF и пористых полимерах, (b) различные наноразмерные гидриды (Mgh3, MgBh5, Pd,

Li2NH), (с) гидриды в условиях наноконфайнмента в MOF, графене, цеолитах, пористом

углероде [58].

Fig. 4 . Scheme of different approaches of nanostructured materials application for hydrogen

storage. (a) molecular hydrogen storage in nanoporous carbon, graphene, BN nanotube, MOF

and nanoporous polymers, (b) several nanosized hydrides (Mgh3, Mg(Bh5)2, Pd, Li2NH), (c)

several hydrides nanoconfined in MOF, graphene, zeolites, nanoporous carbon [58].

Металл-органические каркасы

(MOF), или металл-органические

координационные полимеры, состоящие

из ионов или малых кластеров металлов

(ионы Cu2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+), соединённых

между собой жесткими органическими

молекулами, имеют высокую пористость и

удельную поверхность. Плотность

водорода в лучших образцах с удельной

поверхностью ~ 5000–7000 м2/г достигает

6-7 масс.% при 77К и ~ 5МПа [58].

Специальные условия синтеза позволили

авторам [64] получить MOF (NU-100) с

емкостью по водороду до 16.4 масс.%

водорода при 77К и 7.7 МПа (удельная

поверхность 6143 м2/г). Недавно для NU-

110 достигнута емкость 12.6 масс.% (43.2

г/л) при 77 К и 10 МПа [65], а для IRMOF-

20 получены значения 9.3 масс.% (51 г/л)

[66]. Применение легких сорбентов на

основе пористого углерода изучалось с

1960-х гг. После опубликования в 1997

году экспериментальных данных,

указывающих на высокую сорбцию

водорода углеродными нанотрубками (5-10

% масс. при комнатной температуре) [67]

начались активные исследования

различных углеродных наноматериалов

(нанотрубок, нановолокон, фуллеренов, а

позднее и графена) как материалов для

хранения водорода. Хотя результаты [67]

воспроизвести не удалось, дальнейшие

экспериментальные и теоретические

работы подсказали возможные подходы к

созданию систем, обеспечивающих

эффективную сорбцию водорода. Одно из

очевидных направлений – темплатный

синтез углеродных материалов с высокой

удельной поверхностью и упорядоченной

структурой пор (темплатами служат

различные цеолиты, оксиды кремния и др.).

Используя в качестве темплата цеолит,

авторами [68] получен пористый углерод,

сорбирующий 6 масс.% водорода при 2

МПа и 77 К. Химическая активация также

помогает синтезировать углеродные

материалы с довольно высокой

сорбционной емкостью – под воздействием

КОН из полипиррола получили углеродный

материал с очень высокой удельной

поверхностью – 3000-3500 м2/г.

Сорбционная емкость достигла 7.03 масс.%

при 2 МПа и 77 К [69].

Как видно, для достижения

приемлемых значений емкости необходимы

либо относительно низкие температуры,

либо высокое давление (но менее высокое,

чем для хранения газообразного водорода в

баллонах под давлением).

Продолжаются активные теорети-

ческие исследования систем на основе

углеродных наноматериалов – нанотрубок,

фуллеренов, графена и их комбинаций, в

том числе модифицированных щелочными

или переходными металлами [70-73]. В

работе [71] показано, что декорированный

литием пористый графен может при

нормальных условиях сорбировать до 11

масс.% водорода. Емкость нанотора С120,

декорированного титаном, около 5.6

масс.% [72]. К сожалению, сложность

синтеза такие материалов пока

ограничивает их широкое применение.

Экспериментальные и теоретические

работы показывают, что сорбционная

емкость углеродных наноматериалов (и в

меньшей степени цеолитов и металл-

органических каркасов) может быть

увеличена благодаря т.н. спилловер-

эффекту, возникающему при добавлении

дисперсных металлов – катализаторов

Методы хранения водородного топлива — Возобновляемые источники энергии

В настоящее время все большую актуальность приобретает поиск и изучение альтернативных источников энергии. Привлекательным энергоносителем является водород. Он экологичен и эффективен в процессах преобразования энергии с его участием. Водородное топливо было изобретено и применено достаточно давно. Однако, до сих пор одной из ключевых проблем является вопрос о хранении данного источника энергии. В статье представлены существующие и перспективные методы хранения водорода.

Хранение водорода обходится гораздо дороже его производства. Себестоимость хранения связана с физическими свойствами водорода и с высокими требованиями к системам хранения. Система хранения должна выдерживать криогенные температуры, высокие давления, а также содержать активные элементы, которые бы взаимодействовали с водой или воздухом [1].

Департамент энергетики США классифицирует методы хранения водородного топлива по двум группам.

Первая группа сформирована на основе физических процессах: ожижение и компрессирование водорода. Вторая группа отражает химические процессы сильного взаимодействия водорода с некоторыми элементами среды хранения.

Хранение газообразного водорода под давлением является одним из самых простых способов. Его принцип аналогичен процессу сжатия природного газа. К примеру, 1 кг водорода при стандартных условия занимает достаточно большой объем, около 11,2 м3 [2]. Согласно уравнению состояния идеального газа, чтобы он занимал меньший объем, нам нужно увеличить его давление. Сжимая водородный газ, мы увеличиваем его плотность. То есть при хранении в обычных стальных баллонах под давлением до 200 атм, 1 кг водорода будет занимать около 56,3 литра (0,0563 м3) объема при давлении в 20 МПа. Однако, энергетическая плотность такого вида топлива, значительно уступает аналогичному показателю бензина. На 1 литр водорода приходится всего 4,4 МДж энергии, тогда как на 1 литр бензина 31,6 МДж.

 

Хранение водорода в жидком состоянии основано на процессе сжижения водородного газа. Его энергетическая плотность на 1 литр около 8 МДж. Однако, на сам процесс сжижения расходуется от 25% до 45% энергии. Для сжижения 1 кг водорода потребуется затратить от 10 до 14 кВт*ч электроэнергии [2]. То есть данный метод хранения требует большое количество энергии. Жидкий водород хранится исключительно в криогенных контейнерах, которые изготавливаются из высококачественных сталей, способные выдерживать требуемые температурные диапазоны. Несмотря на достаточно эффективную теплоизоляцию, наблюдаются существенные утечки водородного газа, особенно при маломасштабном хранении. Для решения этой проблемы было предложено хранить водород в независимо от условий заполнения контейнера. Тогда, водород будет не полностью в жидком состоянии, но еще и частично в газообразном. Снизить утечки водородного топлива также помогают сорбенты с большой удельной плотностью поверхности [3].


Метода второй группы основаны на физико-химических процессах и характеризуются сильным взаимодействием молекулярного или атомного водорода с материалами среды хранения.

Читать полностью

ХРАНЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Для систем хранения газообразного водорода под давлением

в сосуде объемом V основной интерес представляет массовая емкость, т. е. от­ношение массы максимально возможного количества запасенного водорода, определенной при давлении, близком к давлению разрыва баллона Рб, к общей массе системы Мс. Это отношение пропорционально коэффициенту эффектив­ности PF системы хранения

(1)

В СИ коэффициент эффективности имеет размерность Дж/кг.

При одинаковых условиях (материал, технология обработки) изготовления баллонов для хранения сжатого водорода масса баллона пропорциональна макси­мальному давлению. Таким образом, отношение массы запасенного газа к массе баллона не зависит от максимального давления в системе хранения. Поэтому единственным способом увеличения коэффициента эффективности является использование более прочных материалов и более совершенных технологий для изготовления газовых баллонов.

Малые количества водорода для использования в химических лабораторії удобно хранить в простых стальных цилиндрических газовых баллонах, рассч> ■ танных обычно на давление 150 атм.

Для транспортных средств, работающих на топливных элементах, использс ние сжатого водорода может быть практическим способом хранения топлив: . і борту. Очевидно, что системы хранения газообразного водорода под давление одни из самых простых и не требуют специального оборудования для извлеч ния газа из хранилища. Необходимо только иметь газовые баллоны с хорой1, коэффициентом эффективности.

Алюминиевые баллоны современной конструкции, усиленные оболочкой углеволокна, выглядят многообещающе. Они относительно легкие и могут сол ■ жать газ при давлении 500 атм: баллон объемом 0,15 м3 (150 л) может вмест 6 кг водорода (860 МДж) при суммарной массе менее 90 кг. Массовая емкое такого баллона составляет 6,7 % и сравнима с емкостью металлогидридных сис тем хранения водорода, рассмотренных в этой главе далее. Характер выхода і строя таких баллонов некатастрофичен: при разрыве оболочка не разлетает. ■ шрапнелью, а лишь отслаивается. Конструкция выполнена таким образом, утечка газа начинается до разрыва баллона.

Рассмотренный 150-литровый баллон может представлять собой цилиндр (г и ■ на 1,5 м, диаметр 0,36 м), разместить который на борту транспортного средс не представляет особых трудностей. На настоящий момент рекомендованное к соображений безопасности отношение давления разрыва к рабочему давление составляет 3:1, таким образом, давление разрыва баллона должно быть не мен 1500 атм, коэффициент эффективности при этом 250 кДж/кг.

Теплота сгорания водорода, содержащегося в таком баллоне, составляв ет 860 МДж, что по энергоемкости соответствует примерно 20 л бензин т. е. весьма немного, учитывая, что на обычном пассажирском автомобиле р; мещается 50-литровый бензобак. Стоит отметить, однако, что КПД двигате і на топливных элементах более чем в 2 раза превышает КПД двигателя внутр< него сгорания.

Для крупномасштабного хранения водорода можно использовать подземн: е структуры, такие как пористые горные породы, выработанные шахты пешерг водоносные горизонты и истощенные месторождения природного газа.

В настоящее время имеется лишь небольшой опыт подземного хранения ва — дорода. Однако результаты хранения гелия в подземных резервуарах г. Амарилл » штат Техас, позволяют надеяться, что при использовании данной технології і придется преодолеть лишь незначительные трудности.

На рис. 9.1 показана схема крупномасштабного хранилища газа на осно I использования подземного водоносного горизонта в полости между поверхи стью воды и непроницаемым слоем горной породы, образующим своеобразна > крышу.

В г. Амарилло подземное хранение 8,5 • 108 м3 гелия не вызвало проблем. Сто­ит отметить, что гелий характеризуется примерно такой же утечкой, как и водо­род. При нормальных условиях 8,5 • 108 м3 водорода эквивалентны 10 ООО ТДж запасенной энергии.

Рис. 9.1. Структура водоносного пласта, используемого для хранения водорода

Чтобы понять, насколько велика энергоемкость этого хранилища, можно сравнить ее с емкостью одной из крупнейших гидроаккумулирующих элек­тростанций1′, расположенной в г. Людингтоне, штат Мичиган. Эта станция способна аккумулировать 54 ТДж, что почти в 200 раз меньше энергии, ко­торую можно аккумулировать в резервуаре Амарилло, если заполнить его водородом.

Другой системой хранения водорода могут стать те самые трубопроводы, которые используются для транспортировки газа. Обычный магистральный трубопровод для транспортировки природного газа имеет протяженность око­ло 1000 км. Диаметр трубопровода может быть около 1,2 м, а рабочее давление 6 МПа (60 атм). Количество водорода, которое можно запасти в таком трубо­проводе, эквивалентно энергии 1000 ТДж, т. е. примерно в 20 раз выше, чем может аккумулировать Лудингтонская ГАЭС.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используют избыток вырабатываемой элек­троэнергии для закачки воды в резервуары, чтобы затем при необходимости использовать аккумулированную таким образом энергию для производства электроэнергии.

Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндриче­ском сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …

Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло — р …

При изменении температуры некоторого фиксированного коли­чества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …

Эксплуатация и применение водородных баллонов, выполненных по ГОСТ 949-73

Эксплуатация и применение водородных баллонов

Для хранения и транспортировки водорода, огромной популярностью пользуются – водородные баллоны. Данное приспособление представляет из себя цельный стальной ссуд, который будет гарантированно хранить в себе газ, даже если будет эксплуатироваться в довольно агрессивной среде. Водород представляет из себя газ без цвета, чья взрывоопасность начинается сразу после контакта с кислородом и воздухом. В быту его чаще всего применяют для сварки. Зачастую такие баллоны оборудуют специализированными вентилями ВВБ-54 и ВВ-55, которые благодаря своей конструкции существенно отличаются от стандартных вентилей. Применение вентилей такого типа не дает воздуху проникнуть внутрь баллона. Таким образом во много раз увеличивается устойчивость баллона к внешним раздражителям, помимо этого увеличивается уровень надежности газа, который сконцентрирован внутри. Это понижает риск воспламенения в период эксплуатации.

Чаще всего баллоны водородные 40л имеют маркировку – ВОДОРОД и окрашены в темно-зеленый цвет эмалевой краской. Как и любой другой баллон, водородный для комфорта во время хранения и транспортировки комплектуется опорным башмаком и кольцом горловины. Важно не забывать о том, что правила эксплуатации предусматривают обязательное техническое освидетельствование баллонов раз в 5 лет. Благодаря этой технической операции, можно установить пригодность баллона для работы. Данный осмотр необходим для выявления различных коррозий, трещин и дефектов, по вине которых может состояться утечка газа.

Сегодня водородные баллоны применяются в большом количестве на строительных площадках, промышленных объектах и в слесарной работе. Поэтому степень устойчивости баллона обязан быть на высоте, в противном случае утечка газа с последующим взрывом может произойти прямо во время работы. За счет современных технических средств, транспортировать баллоны стало удобно даже одному человеку. Правила безопасности полностью запрещают во время переноса водородного баллона, катить его ногами по асфальту. Такой подход, может спровоцировать деформацию клапана, искру и взрыв. Хранить водород в баллонах можно годами, особенно если не нарушать технических инструкций предписанных изготовителем емкости. Изготовление баллонов не занимает много времени, поэтому вполне актуальны оптовые заказы. 

Каталог водородных баллонов от нашей организации

Водород в баллонах по низкой цене в Екатеринбурге

Купить водород в Екатеринбурге вы можете на сайте специализированной компании «УралСпецГаз»! Мы осуществляем поставки водородных баллонов и других газов в производственные и коммерческие предприятия Свердловской области с 2002 года!

Мы отвечаем за качество нашей продукции и гарантируем вам безопасность при соблюдении всех условий эксплуатации баллона!

Кроме того, купить водород в баллонах с доставкой на сайте «УралСпецГаз» — это просто и очень быстро! Мы осуществляем доставку даже в праздничные и выходные дни!

Также вы можете купить баллон под гелий или воспользоваться услугой заправки водородом! Для этого:


Позвоните нам по телефонам:

+7 (343) 221-00-14

+7 (912) 045-81-22

Оставьте заявку на почте:

[email protected]

Или заполните форму обратной связи ниже.


Наш менеджер проконсультирует вас и поможет оформить заказ и доставку. Купить водородные баллоны или воспользоваться услугой доставки вы можете ежедневно с 8:00 до 19:00.

Цена технического водорода

Водород технический цена в «УралСпецГаз»

Наименование продукции Баллоны оборотные Цена с НДС, в рублях.
Водород, марка А, 40л. 8000 3150

Сколько стоит баллон с водородом в Екатеринбурге?

Стоимость баллонов сжатого водорода варьируется в зависимости от объёма газа в баллоне. Если в рабочем процессе вашего предприятия потребность в водороде возникает периодически или постоянно, то экономнее в этом случае приобрести баллон под водород и пользоваться услугой заправки, без повторного приобретения тары.

В этом случае, самое главное, не забывать периодически раз в 2-5 лет проверять баллон на исправность, во избежание утечек газа.

Объём водорода в баллоне на срок проверок не влияет.

Почему стоит купить водород технический в компании «УралСпецГаз»?

  • Вы можете купить водород технический ГОСТ даже в нерабочие дни;
  • Возможна доставка день в день;
  • Баллоны соответствуют ГОСТу и проходят обязательную проверку перед заправкой;
  • На технический водород цена ниже, чем у конкурентов!
  • Всегда в наличии водород в баллоне 10 литров, а также объёмы 20, 40, 50 литров;
  • Скидки для постоянных покупателей.

Применение газа водорода в баллонах

Водород технический газообразный применяется в пищевой промышленности, а также других многочисленных сферах производства и коммерческой деятельности. К основному виду применения водорода технического ГОСТ 3022 80 можно отнести следующие:

  • Используется в нефтепереработке;
  • Охлаждение генераторов тепловых и атомных станций;
  • В химической промышленности для получения аммиака, метанола и пластмасс;
  • При производстве стекла;
  • Атомарный водород используется в процессе металлообработки и сварки;
  • В электрической промышленности;
  • Производство мыла;
  • В качестве топлива.

Хранение водорода в баллонах

Если вы решили купить технический водород, то вам необходимо предварительно ознакомиться с правилами хранения баллонов, для соблюдения всех правил безопасности.

Самым главным и основным требованием при хранении водородных баллонов является минимизирование механических и физических повреждений сосуда.

В процессе использования важно придать баллону максимально статичное состояние, во избежании его внезапного падения и повреждения.

При соблюдении этого правила и при выборе надёжного поставщика вы можете быть уверенны в своей безопасности при использовании технического водорода.

Не знаете где купить водород? Звоните нам прямо сейчас по телефонам:

+7 (343) 221-00-14

+7 (912) 045-81-22

«УралСпецГаз» гарантирует качество и быструю доставку!

Сфера применения и особенности водородных баллонов

Водородные баллоны – специализированные емкости для хранения и транспортировки водорода (h3). Этот газ является экологически чистым и безопасным? поскольку при его горении образуется только вода. Но при его использовании необходимо соблюдать крайнюю осторожность, водород взрывоопасен и легко воспламеняется даже от небольшой искры.

Сферы применения водородных баллонов:

  1. Сварка. Отличается высокой эффективностью (температура на мундштуке горелки достигает 2600°С). Является альтернативой сварки с использованием ацетилена и кислорода. При этом отпадает необходимость в покупке дополнительных баллонов (с кислородом), что значительно упрощает процесс выполнения работ.
  2. Газопламенная обработка металла. Благодаря высокой температуре, которая достигается при горении водорода, возможна обработка практически любых металлов (за исключением ниобия, титана и циркония). Если ваша компания предоставляет такие услуги, вы можете газовый баллон купить в Москве с удобной доставкой по оптимальной стоимости в «ТОРГГАЗ».

Особенности:

  1. Аттестация. Освидетельствование емкостей, находящихся под высоким давлением, согласно нормам действующего законодательства должно проводиться не реже 1 раза в 5 лет.
  2. Транспортировка. Осуществляется с использованием специализированных транспортных средств. Необходимо прочно фиксировать баллоны внутри кузова и избегать попадания прямых солнечных лучей на поверхность емкостей.
  3. Хранение. Требуется соблюдать основные правила безопасности и предохранять баллоны от нагревания, поскольку это может стать причиной взрыва.
  4. Конструктивные особенности. Водородные баллоны должны быть оснащены вентилями ВВБ-54 или ВВ-55. Такие устройства разработаны с учетом высокой взрывоопасности водорода и позволяют предотвратить попадание воздуха внутри емкости.

Компания «ТОРГГАЗ» предоставляет своим клиентам только высококачественные услуги и поставляет надежное оборудование. У нас также возможен обмен и заправка баллонов пропаном по минимальным тарифам. Сотрудничая с нами, вы сможете решить все свои проблемы с газовым оборудованием, не прилагая лишних усилий. Позвонив по контактному телефону, вы получите профессиональную консультацию опытного специалиста и помощь в выборе оптимальных емкостей для хранения и транспортировки газа.

Похожие статьи

Хранение — водород — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Хранение — водород

Cтраница 1

Хранение водорода связано с необходимостью соблюдения специфических требований по технике безопасности.  [1]

Хранение водорода включает в себя производство его электролизом воды во внепиковые периоды и использование водорода при увеличении потребностей в энергии в топливных элементах, газовых турбинах или под котлами. При хранении электроэнергии в сверхпроводящих магнитах используется тот факт, что при нулевом сопротивлении проводника энергия может сохраняться практически неограниченное время; ток постоянно движется по замкнутому контуру в пределах мощного магнитного поля. Хранение тепловой энергии включает в себя хранение у потребителя горячей либо холодной воды или воздуха; хранение на промежуточных стадиях питающей воды на электростанциях или перегретого пара в цистернах либо емкостях, могут также возникать случаи, когда необходимо хранение расплавленной соли при высокой температуре, а также возможны системы, подразумевающие одновременно хранение больших количеств воздуха и газификацию угля.  [2]

Хранение водорода в баллонах высокого давления ( имеются баллоны на 15 МПа, экспериментальные на 40 МПа) неприемлемо вследствие большой массы и чрезвычайно большого объема. В будущем возможно уменьшение массы при использовании новых материалов, например пластмасс, армированных углеродным волокном, однако громоздкость и большие энергозатраты на компримирование водорода ставят под сомнение возможность применения такого метода его хранения.  [3]

Хранение водорода на автомобиле осуществлялось в специально разработанном для этой цели фирмой Миннесота Вэлли инженеринг сосуде Дьюара VLH-50 емкостью 50 галлонов на 11 6 кг водорода. Это сосуд сферической формы, диаметр наружной сферы 86 36 см, внутренней — 71 12 см. Обе сферы изготовлены прокаткой из алюминиевого сплава 3003 ( 98 8 % А1 и 1 2 % Мп), что позволило значительно снизить массу сосуда.  [4]

Хранение водорода в жидкой форме также имеет свои трудности. Водород сжижается при температуре — 252 87 С, и для его сжижения требуются значительные затраты энергии. Длительное криогенное хранение без больших потерь затруднительно, к тому же безопасность его хранения представляет действительно серьезную проблему. Вариантом компактного и безопасного хранения водорода является хранение его в составе особого класса компаундов — металлических гидридов.  [5]

Для хранения водорода используют стальные баллоны и стеклянные газометры с колоколом, опущенным в ртуть ( см. рис. 13, стр.  [6]

Для хранения водорода могут быть использованы выработанные газовые месторождения и подземные пустоты. Объемы хранения в этих случаях могут быть очень велики.  [7]

Для хранения водорода в больших количествах в технике применяют особые стальные цилиндры, выдерживающие большое давление. Сжатый в стальных баллонах под давлением до 100 и выше атмосфер газ удобен для транспортирования на дальние расстояния.  [8]

Для хранения водорода используют стальные баллоны и стеклянные газометры с колоколом, опущенным в ртуть ( см. рис. 13, стр.  [9]

Возможно хранение водорода в инкапсулированном виде в цеолитах и в ряде других микропористых материалах.  [10]

Преимущество хранения водорода в криогенно охлаждаемых емкостях, содержащих адсорбирующий водород материал [727], по сравнению с хранением водорода в виде гидридов заключается в том, что количество хранимого водорода на единицу массы адсорбента в случае криоадсорбции больше, чем в случае гидридного хранения.  [12]

Оценка хранения водорода в том или ином виде, например в виде жидкого водорода или водорода газообразного, в виде гидрида или в другой форме, это не только чисто техническая, но и сложная экономическая задача.  [14]

Задача безопасного экономичного хранения водорода на борту автомобиля, не решенная до настоящего времени, сдерживает развитие экологически чистого транспорта на топливных элементах. Возможность использования для хранения водорода сорбентов на основе углерода изучалась начиная с 60 — х годов. Для некоторых активированных углей ( например, АХ-21) были получены неплохие значения сорбционной емкости ( — 10 вес %), но при Т — 77 К, что делает неэффективным их применение на траспорте. Хранение водорода в углеродных материалах вновь привлекло внимание благодаря открытию новых форм элементарного углерода — фуллеренов и нанотрубок.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Хранилище сжатого водорода — обзор

Конфигурация трансмиссии

Силовая установка на топливных элементах состоит из блока топливных элементов с балансом компонентов установки для подачи воздуха, контроля топлива, контроля температуры и увлажнения. К ним добавляются электроника регулирования мощности, резервуары для хранения сжатого водорода, моторный привод, состоящий из инверторной электроники, и мотор с редуктором. Опционально может быть включена высоковольтная батарея.

Две распространенные конфигурации систем компонентов трансмиссии на топливных элементах возникли из требований высокого уровня в таблице 1.Они показаны на Рис. 1.

Рис. 1. Две распространенные архитектуры гибридных силовых агрегатов на топливных элементах. постоянный, постоянный ток.

В батареях топливных элементов используются протонообменные мембраны (PEM). Топливные элементы с протонообменной мембраной обеспечивают быстрое время запуска, высокую динамическую реакцию и хорошую удельную мощность.

Большинство систем сочетают в себе блок топливных элементов с высоковольтной батареей в гибридной конфигурации для рекуперации энергии торможения, увеличения запаса хода и улучшения ускорения (рис. 2).Обычно высоковольтная батарея представляет собой никель-металлогидридную или ионно-литиевую батарею.

Рис. 2. Расположение основных компонентов силовой установки на топливных элементах в транспортном средстве.

Номинальная мощность батареи может быть заменена номинальной мощностью топливного элемента. Батарея большой мощности, скажем, рассчитанная на 70% пиковой мощности системы, может справиться с требованиями ускорения, позволяя снизить мощность топливного элемента до 30% мощности системы, достаточной для удовлетворения средней потребности в мощности. Альтернативой является использование небольшой батареи, скажем, рассчитанной на 30% пиковой мощности системы, в сочетании с топливным элементом большего размера для обеспечения ускорения.Аккумулятор меньшего размера предназначен для восстановления энергии торможения, что увеличивает экономию топлива.

Созданы негибридные транспортные средства, которые демонстрируют, что системы топливных элементов PEM могут удовлетворять потребности автомобиля в быстрой динамической мощности, при этом позволяя избежать затрат на батарею и ее электронику преобразования энергии.

Электроника регулирования мощности требуется на границе раздела между батареей и топливным элементом, чтобы соответствовать характеристикам напряжения каждого источника и управлять источником питания.Типичные аккумуляторные блоки имеют номинальное напряжение в диапазоне от 150 до 350 В, а типичные напряжения топливных элементов – в диапазоне от 200 до 400 В. диапазон 400–650 В. Высокое напряжение снижает номинальный ток для проводников, разъемов и электроники, что снижает вес и стоимость.

Если напряжение топливного элемента очень низкое по сравнению с входным постоянным напряжением моторного привода, можно использовать повышающий преобразователь напряжения с однонаправленным потоком мощности.КПД повышающего преобразователя при полной нагрузке находится в диапазоне 97–98%. Потери при частичной нагрузке могут быть достаточно низкими, что делает систему эффективной.

Если напряжение топливного элемента высокое, его можно подключить непосредственно к входу постоянного тока электроники инвертора двигателя, чтобы избежать потерь преобразования мощности для основной движущей силы. Затем батарея подключается через двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный. В этой конфигурации потери в электронике преобразования энергии происходят как при подаче энергии в аккумулятор, так и при отборе энергии из аккумулятора.

Выбор используемой конфигурации кондиционирования питания зависит от напряжения аккумулятора и топливного элемента, а также относительной номинальной мощности аккумулятора по сравнению с топливным элементом. Если номинальная мощность топливного элемента низка по сравнению с батареей, может оказаться более рентабельным разместить электронику преобразования энергии в электрическом тракте топливного элемента.

Электроэнергия постоянного тока, вырабатываемая топливным элементом и/или аккумуляторной батареей, преобразуется в механическую энергию и передается на колеса с помощью блока инвертор-двигатель-редуктор.Эффективность такого преобразования может превышать 90%.

Водород для топливных элементов хранится в виде сжатого газа. Сжатый газ предпочтительнее резервуаров с жидким водородом из-за высоких затрат энергии на сжижение водорода и потери запаса хода, поскольку криогенный жидкий водород выкипает в течение нескольких дней. Однако резервуары для хранения сжатого газа очень велики для относительного количества хранимой энергии. Альтернативные методы хранения водорода могут обеспечить более высокую плотность хранения, чем сжатый газ. Ведутся фундаментальные исследования по хранению водорода с помощью металлогидридов, химгидридов и сорбентов.Бортовые риформеры для создания водорода из других видов топлива обычно считаются нецелесообразными из-за большого количества энергии, необходимой для нагрева/запуска риформера, а также дополнительных затрат и веса риформера.

Стандарты чистоты водородного топлива разрабатываются комитетами, включая ISO TC197/WG12 и ASTM D 03. Как правило, водород должен иметь чистоту 99,99% и содержать менее 1 мкг л −1 твердых частиц и отдельных частиц. должны иметь диаметр менее 10 мкм.Более жесткие ограничения установлены для вредных для топливного элемента загрязняющих веществ, таких как окись углерода и соединения серы.

Хранение и использование | Водородные инструменты

Хранение и использование

Водород следует хранить снаружи на безопасном расстоянии от конструкций, вентиляционных отверстий и путей движения транспорта. Требования к разделительному расстоянию обычно основаны на потенциальной скорости утечки и варьируются в зависимости от объема хранилища и давления, а также диаметра трубы. Обратитесь к NFPA 2 за конкретными требованиями к расстоянию.

Когда водород используется в помещении, лучше всего хранить водород на открытом воздухе и передавать водород пользователям в помещении с помощью сварных трубопроводов.

Сжатый газ обычно хранится в баллонах или сосудах под давлением, предназначенных для газа высокого давления. Жидкий водород обычно хранится в цилиндрических резервуарах с вакуумной изоляцией при относительно низком давлении.

Внешнее хранилище баллонов — фото предоставлено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией

Системы хранения водорода обычно включают:

  • Контейнеры для хранения
  • Теплообменники (для жидкостных систем)
  • Компрессоры
  • Регуляторы давления
  • Устройства сброса давления
  • Соединительный трубопровод
Резервуары для хранения газообразного водорода — фото предоставлено Shell Hydrogen

Если баллон с водородом находится в помещении, необходимо принять во внимание дополнительные меры безопасности:

  • Ограничение общего объема водорода в зависимости от размера рабочего пространства
  • Поддержание минимального расстояния между баллонами с водородом и окислителями
  • Цилиндры крепления

Вопросы безопасности при использовании водорода внутри помещений включают:

  • Здания должны быть построены из негорючих материалов.
  • Системы механической вентиляции должны подавать воздух низко к полу и выводить воздух в самую высокую точку помещения. Необходимо предусмотреть вентиляцию как в нормальных условиях, так и в аварийных ситуациях.
  • Должны быть установлены датчики водорода.
  • Поток водорода должен автоматически отключаться при обнаружении утечки или возгорания.
  • Источники воспламенения следует устранять с помощью мер предосторожности, таких как использование классифицированного электрического оборудования.
  • Компоненты водородной системы должны быть электрически соединены и заземлены.

Когда баллоны с водородом хранятся на открытом воздухе с защитой от непогоды, такой как навес, те же соображения (например, негорючая конструкция и вентиляция), которые относятся к использованию водорода внутри помещений, относятся к конструкции защиты от непогоды. См. руководство NFPA 2.

Резервуары для хранения водорода COPV | Водородные баллоны

COPV Резервуары для хранения водорода | Водородные баллоны | Стилхед Композиты

Высокоэффективные сосуды под давлением типа III и IV


Композитные сосуды под давлением с внешней оболочкой (COPV)
для безопасного и надежного хранения водорода
Мы устанавливаем стандарты безопасного и эффективного хранения, транспортировки и распределения водорода.Наши прочные сосуды под давлением имеют бесшовную алюминиевую (Тип III) или полимерную (Тип IV) конструкцию и полностью покрыты композитным материалом из углеродного волокна, пропитанным эпоксидной смолой.

Особенности этих судов:

  • Запатентованные расширенные портовые отверстия «Steelhead» с готовыми к работе с водородом резьбовыми соединениями из нержавеющей стали или алюминия, достаточно большие для размещения внутрибакового клапана и регулятора
  • Индивидуальный высокопроизводительный композитный материал из углеродного волокна с минимальным весом и длительным сроком службы
  • Диапазон доступных размеров от 6 л до 270 л
  • Широкий диапазон рабочих температур — от -40°C до 85°C (от -40°F до 185°F)
  • Варианты давления варьируются от 350, 500 и 700 бар — пожалуйста, уточните, является ли желаемый вариант готовым или заказной конфигурацией, требующей сертификатов
  • Нестандартные размеры/давление доступны по запросу
  • Предсказуемые характеристики утечки перед взрывом
  • Возможности быстрого заполнения
  • Доказанная надежность при падении и ударах
  • Минимальное проникновение водорода при максимальном рабочем давлении

Предложения по проектированию и производству Steelhead Composites:

  • Многолетний опыт производства сосудов под давлением
  • Сложные средства моделирования и проектирования
  • Изготовлено в соответствии с нашим ISO 9001-2005 или AS9100 Rev.Система качества D и экологическая система ISO 14001
  • Современная, полностью электронная система обеспечения качества

Интегрированные системы хранения большого объема Hydrogen Cube™

Steelhead Composites Hydrogen Cube™ предлагает безопасную, экономичную и портативную систему хранения сжатого водорода. После опорожнения система легко заменяется на полную и транспортируется для пополнения на ближайшей станции.

  • Без простоев – использованные блоки легко заменяются полными
  • Совместимость — можно использовать с любым топливным элементом, компрессором или электролизером
  • Экономически эффективен — намного легче и дешевле, чем аккумуляторы, для хранения такой же энергии
  • Надежность — позволяет использовать топливные элементы по принципу plug-and-play для удаленных и/или автономных местоположений
  • Компактный — легко загружается или разгружается с помощью стандартных грузовиков
  • Сейф — решение для установки и замены с полным подключением к водопроводу

Размеры:

  • Хранение водорода 8 кг – 4 сосуда по 90 л:
    • Ширина – 1.1 м (43,4 дюйма)
    • Высота — 1,2 м (47,2 дюйма)
    • Длина — 1,6 м (63 дюйма)
  • Хранение водорода 18 кг – 9 сосудов по 90 л:
    • Ширина – 1,6 м (63 дюйма)
    • Высота — 1,2 м (47,2 дюйма)
    • Длина — 1,6 м (63 дюйма)

Контейнерное хранилище Hydrogen Cube™ Plus

Легкие 20-, 40- и 53-футовые многоэлементные газовые контейнеры (МЭГК)

Стационарно закрепленные на высокопрочных стальных каркасах, эти мобильные устройства имеют следующие характеристики:

  • Быстроразъемные емкости для наполнения и опорожнения (возможны специальные соединения)
  • Запорные клапаны напорной линии
  • Тепловые устройства и устройства сброса давления
  • Контейнер и все его содержимое рассчитаны на коррозионную стойкость в очень сложных условиях, включая пустыню и море

Хранение водорода для систем топливных элементов

Водородные сосуды под давлением

Steelhead Composites представляют собой легкое и экономичное решение для хранения газа в системах водородных топливных элементов.Мы предлагаем полный спектр услуг по проектированию, производству и проведению внутренних испытаний для точного соответствия вашим требованиям к проектированию и сертификации. Steelhead предлагает ряд стандартных размеров, которые наилучшим образом соответствуют вашим критериям проектирования.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.

270 литров COPV — наш самый большой сосуд на сегодняшний день                                           

Водородные сосуды типа III — алюминиевый вкладыш

  • Тип III — Алюминий обладает очень хорошей газопроницаемостью.Используя грубые оценки проникновения газообразного водорода при 50 МПа, сосуды с алюминиевым покрытием имеют константу проникновения около 2 x 10-16 моль-ч3/(м-с).

  • Сосуды Steelhead устойчивы к повреждениям и проходят необходимые сертификационные испытания DOT, а также минимизируют риски и угрозы во время эксплуатации. Это особенно важно учитывать в отношении ударных нагрузок, ожидаемых при загрузке и выгрузке сменных модулей.

  • Поскольку размеры сосудов типа III во время нагартовки под давлением обеспечивают плотный контакт между вкладышем и композитной оболочкой, отсутствует вероятность скопления газа h3 в промежуточном пространстве, что может привести к короблению вкладыша при нулевом давлении.

  • Сосуд типа III с алюминиевой футеровкой не имеет потенциала электростатического разряда ни во время циклов давления газа, ни при коронном разряде

  • Режим отказа сосуда типа III по своей природе более безопасен, поскольку металлическая футеровка не будет деградировать или расплавляться до того, как давление можно будет безопасно сбросить контролируемым образом через клапаны

  • Более высокая теплопроводность металлического вкладыша в сосуде типа III обеспечивает более полное и эффективное заполнение в режиме быстрого заполнения

  • Композитные материалы Steelhead Сосуды типа III превысят заявленный срок службы без отказа.По истечении расчетного срока службы существует незначительный риск катастрофического разрыва сосуда из-за присущего алюминиевой футеровке усталостного разрушения по типу течи до разрыва.

Водородные сосуды типа IV — полимерная футеровка

  • Сосуды под давлением типа IV легче по весу, чем сопоставимые сосуды типа III

  • Тип IV — сосуды с полимерным покрытием имеют константу проницаемости около 4 x 10-8 (моль-ч3/(м-с) при 50 МПа

  • Сосуды Steelhead устойчивы к повреждениям и проходят необходимые сертификационные испытания DOT, а также минимизируют риски и угрозы во время эксплуатации.Это особенно важно учитывать в отношении ударных нагрузок, ожидаемых при загрузке и выгрузке сменных модулей.

  • Сосуды под давлением типа IV более устойчивы к постоянным циклам — идеально подходят для флота с частой дозаправкой

© Copyright 2020 Steelhead Composites, INC. Все права защищены.

Пролистать наверх

новых решений для новой идеи

Прошлым летом компания GKN Powder Metallurgy объявила о планах разработки инновационной системы хранения водорода для жилых домов с использованием твердотельного гидрида металла.С тех пор мы разработали демонстрационную систему, где наши инженеры преодолели несколько технических проблем, чтобы адаптировать размеры и емкость необходимых модулей.

Мы начали наш исследовательский проект с целью создания интегрированной системы хранения тепла и энергии с нулевым уровнем выбросов для автономного альпийского шале. Наши инженеры стремились к мощности системы более 130 кВт, что эквивалентно обеспечению обычной семьи из четырех человек в течение примерно 12–14 дней электроэнергией без подзарядки.Используя преимущества интеллектуального управления теплом, группа GKN по порошковой металлургии также хочет повторно использовать температуру процесса для нагрева.

В связи с тем, что наш проект является одним из первых в мире по использованию металлогидридных поддонов для хранения водорода в жилых помещениях, была проведена интенсивная научно-техническая подготовка. Работая над несколькими ключевыми модулями системы, наши инженеры вместе с нашими партнерами должны решить несколько задач.

Задача хранения

Превращение нашей концепции из лабораторной модели в полномасштабную систему поставило задачу масштабирования концепции системы и разработки новых конструкций резервуаров для хранения водорода.

Обычно водород хранится в виде газа и требует очень больших резервуаров для хранения, работающих при высоком давлении до 300 бар. Использование металлического порошка в качестве среды для хранения водорода имеет ряд очевидных преимуществ: такое же количество газообразного водорода можно хранить в резервуаре, который даже вдвое меньше, чем газ. Кроме того, процесс на основе металлического порошка работает при более низком давлении и его легче контролировать с точки зрения уровней температуры. В нашем процессе резервуары для хранения загружаются газообразным водородом при давлении ниже 40 бар.Металлический сплав в гранулах внутри резервуара вступает в реакцию с водородом и образует гидриды металлов.

Загрузка резервуара водородом является экзотермическим процессом, а это означает, что поглощение водорода металлическим каркасом резервуара необходимо охлаждать и поддерживать на уровне 20°C, чтобы процесс загрузки оставался стабильным и эффективным.

Для разгрузки или десорбции резервуар необходимо нагреть до 60°C, так как химическая реакция удаления водорода из решетки металла является эндотермической.Чем больше поток водорода в бак или из бака, тем интенсивнее протекает химическая реакция. Чтобы увеличить кинетическую способность для быстрой загрузки и разгрузки, а также по соображениям безопасности, управление температурным режимом является ключевым аспектом системы резервуаров из гидридов металлов. Наши инженеры работали над двухтрубными резервуарами для достижения оптимальной теплопередачи между «активным» материалом и охлаждающей/нагревающей средой. Новая конструкция резервуара ускоряет процессы и снижает потери энергии на нагрев и охлаждение, а также улучшила и укоротила процесс активации металлических гранул для включения процесса гидрида металла.

ГКН Модуль хранения порошковой металлургии состоит из восьми отдельно управляемых резервуаров хранения и может хранить 133 кВтч электроэнергии.

Вызов электролизера

Еще одним важным аспектом стала разработка электролизера, подходящего по размеру для жилых помещений, для производства высококачественного газообразного водорода. Доступные на рынке электролизеры предназначены для приложений с большой электрической мощностью (обычно от 50 киловатт до нескольких мегаватт).Потребовалось огромное количество доработок, чтобы уменьшить размер электролизера под наши требования и диапазон электрической мощности 5 кВт. Кроме того, много усилий было потрачено на достижение высокого качества газа, необходимого для хранения водорода в гидридах металлов. В сотрудничестве с нашим партнером по электролизу iGas была разработана комплексная система очистки водорода для достижения качества газа 99,999%.

Проблема эффективности

Глядя на всю систему, производство и хранение газа — это только половина дела.Требуется третий ключевой модуль для получения электроэнергии из хранящегося водорода и использования тепла, полученного в процессе преобразования. Управление и использование полученного технологического тепла является важным вторым элементом, который обеспечивает высокую эффективность использования энергии в обоих направлениях нашей концепции.

Выгрузка и преобразование газообразного водорода обратно в электроэнергию осуществляется через топливный элемент с протонообменной мембраной, который является третьим ключевым модулем нашей системы. Разработка умной и надежной схемы управления обеспечивает эффективное управление теплом, электроэнергией и водородом.

GKN Порошковая металлургия находится на пути к использованию хорошо известного химического процесса и материальных возможностей гидрида металла и выведению его на новый уровень для реального применения в жилых помещениях. Это поможет снизить уровень CO 2 и даст возможность более эффективно использовать естественные неуглеродные источники энергии, такие как ветер, вода и солнце.

Хранение водорода становится реальностью | Feature

У Японии есть амбициозный план по преобразованию своей энергетической системы. Но для этого потребуется много водорода.

Япония хочет отказаться от ископаемого топлива и вместо этого импортировать чистый водород для удовлетворения своих энергетических потребностей. В декабре 2017 года его Министерство экономики, торговли и промышленности опубликовало дорожную карту, в которой изложено, как оно намерено постепенно повышать спрос и, таким образом, снижать затраты, пока чистый водород не станет конкурентоспособным по стоимости с природным газом.

Для успеха плана — и подобных планов в горячих точках водорода, таких как Калифорния — химия будет иметь ключевое значение.

Спрос и предложение

Преимущество водорода как топлива заключается в том, что при сгорании или потреблении в топливных элементах для выработки электроэнергии единственным выбросом является водяной пар.№ NO x , SO x , CO 2 или твердые частицы. Электрохимик Джон Бокрис придумал фразу «водородная экономика» в своем выступлении перед General Motors в 1970 году, но даже тогда концепция использования возобновляемой электроэнергии для электролитического расщепления молекул воды и выделения водорода не была чем-то новым. Идея регулярно рассматривалась на протяжении многих лет, но экономические аспекты никогда не складывались.

На этот раз все по-другому, говорит Крейг Бакли из Кертинского университета в Перте, Австралия, который занимается исследованиями в области хранения водорода с 1988 года и несколько раз проявлял интерес к водородному воску и убыванию.«На этот раз, кажется, все звезды сошлись», — говорит он.

Одним из ключевых факторов является неуклонно падающая цена на возобновляемую электроэнергию, самую большую стоимость производства электролитического водорода. С 2010 года цена на ветровую электроэнергию упала на 50%, а на солнечную электроэнергию — на 80%. «Возобновляемая энергия настолько подешевела, что [производство водорода] может конкурировать с ископаемым топливом. Это немного изменило правила игры», — говорит Бакли.

«За последние год или два также произошло то, что Япония и Юго-Восточная Азия сделали большой шаг, заявив, что хотят стать водородной экономикой», — добавляет он.«Значит, теперь есть рынок».

После аварии на АЭС Фукусима в 2011 году и последующего закрытия всех своих атомных электростанций Япония теперь полагается на импорт ископаемого топлива для удовлетворения 94% своих энергетических потребностей. Но в соответствии с Парижским соглашением ООН об изменении климата 2015 года Япония обязалась сократить выбросы углерода на 26% к 2030 году (по сравнению с базовым уровнем 2013 года) и на 80% к 2050 году. возобновляемая энергия своими силами. Импортируемый водород, произведенный электролитически из возобновляемых источников энергии или из ископаемого топлива с улавливанием углерода, является предпочтительным топливом.Другие импортеры энергии в регионе, включая Южную Корею, пришли к такому же выводу, в то время как страны с богатыми возобновляемыми источниками энергии, от Австралии до Ближнего Востока и от Северной Африки до Норвегии, ищут новые возможности для экспорта.

Чистые автомобили и липкие MOF

К 2030 году Япония хочет иметь на дорогах 800 000 автомобилей на водородных топливных элементах. У Калифорнии, где их уже почти 5000 на дорогах, аналогичные амбиции.

Проблема с водородом в качестве транспортного топлива, а также с хранением и транспортировкой водорода в целом заключается в том, что это чрезвычайно легкий газ с низкой плотностью.Если бы автомобиль на топливных элементах использовал атмосферное давление для хранения 1 кг водорода, необходимого для поездки на 100 км, топливный бак должен был бы иметь размер 11 м 3 . Таким образом, современные автомобили на топливных элементах используют сжатый газообразный водород, выдавливая около 5 кг в усиленный углеродным волокном бак на 700 бар.

С одной стороны, техническая задача создания топливного бака для водородных легковых автомобилей решена, говорит Бакли. Но резервуары высокого давления далеки от идеала, говорит Джеффри Лонг, который исследует хранение водорода в рамках своей работы над металлоорганическими каркасными материалами (MOF) в Калифорнийском университете в Беркли, США.«Это означает, что вам придется использовать тяжелый, неуклюжей формы, дорогой контейнер для топлива. Это также означает, что вам нужно использовать много энергии для сжатия газа», — говорит Лонг. «Наша цель — создать адсорбент, который позволит получить аналогичную емкость, но при максимальном давлении 100 бар. Энергетический штраф за сжатие водорода также будет сокращен.

Лонг является частью исследовательского консорциума Министерства энергетики США (DoE) под названием HyMARC, в который входят пять национальных лабораторий Министерства энергетики, а также внешние лаборатории, такие как его.Консорциум нацелен на решение некоторых фундаментальных проблем, связанных с хранением водорода, говорит Марк Аллендорф из Национальной лаборатории Сандия, содиректор HyMARC*. Вплоть до 2010 года Министерство энергетики вкладывало много долларов в попытки найти материалы для хранения водорода, которые соответствовали бы определенным целям, которые до сих пор не достигнуты, говорит Аллендорф. «Вместо того, чтобы идти по этому пути дальше, они решили сделать шаг назад и попытаться решить некоторые из этих проблем, а также переложить поиск материалов с высоким риском и высокой отдачей на более мелкие проекты, которые имеют очень строгие цели, которые они должны выполнить для достижения прогресса. .

Согласно расчетам, магическое число, которое необходимо достичь исследователям, чтобы получить хорошее обратимое хранение водорода при комнатной температуре при максимальном давлении 100 бар, составляет энергию адсорбции водорода 15–20 кДж/моль. Два основных класса твердотельных материалов для хранения водорода находятся по обе стороны от этого числа. Гидриды металлов и родственные материалы, которые поглощают водород посредством образования химической связи, связывают водород слишком сильно, и их необходимо нагревать, чтобы отогнать водород, тогда как пористые абсорбенты, такие как MOF, связывают водород слишком слабо, чтобы удерживать его в достаточном количестве.«В диапазоне энергий 15–20 кДж/моль у нас не так много примеров того, как это сделать», — говорит Лонг.

Проблема физической адсорбции заключается в том, что водород не любит прилипать к вещам. «Обычно вы используете эффект поляризации, чтобы заставить молекулу прилипнуть к поверхности, но водород имеет всего два электрона, поэтому его очень трудно поляризовать», — говорит Лонг.

Лаборатория Лонга делала свои MOF более «липкими», добавляя низкокоординированные катионы металлов в MOF.Его команда создала MOF с правильной энергией связывания, но столкнулась с другой проблемой. 1 «Использование катионов металлов относительно тяжело», — говорит Лонг, что означает, что эти материалы не удерживают достаточное количество водорода по сравнению с их весом. «Поэтому мы пытаемся создать MOF с низкокоординированными катионами металлов, которые могут взаимодействовать с двумя, тремя или даже четырьмя молекулами водорода на катион обратимо в диапазоне 15–20 кДж/моль».

Команда создала MOF на основе марганца, которые будут удерживать два атома водорода на катион металла, но ниже минимума 15 кДж/моль. 2 «Мы работаем над тем, чтобы объединить эти вещи», — говорит Лонг. Расчеты показывают, что структуры на основе магния или кальция потенциально могут поставить галочку в обоих полях. «Но с синтетической точки зрения создать эти координационно ненасыщенные катионы металлов на поверхности внутри MOF было огромной проблемой».

Туда и обратно

Аллендорф также исследовал MOF, но с другой стратегией. Он использует их в качестве исходных материалов для наночастиц гидридов металлов.

Исследователи в 1970-х годах определили ряд объемных материалов для хранения водорода, в основном на основе металлов и металлических сплавов, которые имеют емкость хранения водорода при комнатной температуре около 2% по весу, говорит Кондо-Франсуа Агуэ-Зинсу из Университета Нового Южного. Уэльс в Сиднее, Австралия.По его словам, для некоторых приложений такой уровень производительности вполне приемлем. Aguey-Zinsou недавно запустила дочернюю компанию, чтобы использовать гидриды металлов в основе системы для хранения энергии от домашних или коммерческих солнечных панелей на крыше, чтобы конкурировать с аккумуляторными батареями, такими как Tesla Powerwall. Система будет включать в себя небольшой электролизер для расщепления воды для производства водорода и топливный элемент для высвобождения энергии. По сравнению с литий-ионной батареей, система потенциально может хранить гораздо больше энергии при аналогичной площади и должна иметь срок службы около 30 лет, с которым не может сравниться ни одна батарея, утверждает Агуэй-Зинсоу.

Американская компания Power Plug уже выпустила на рынок вилочные погрузчики с водородным двигателем. Для вилочного погрузчика, который должен перевозить много балласта, тяжелый топливный бак не является штрафом. В топливных баках вилочных погрузчиков используется материал для хранения водорода из никель-алюминиевого сплава под названием Hy-Stor 208. 3 Вилочные погрузчики можно заправить топливом за 15 минут, что составляет небольшую часть времени, необходимого для подзарядки аккумуляторного вилочного погрузчика.

Но для более широкого применения — для водородных дорожных транспортных средств и водородного транспорта — необходимы лучшие характеристики хранения.Augey-Zinsou нацелен на емкость хранения водорода 10% по весу. Ряд материалов действительно удерживает водород в этом целевом диапазоне — обычно на основе легких элементов, таких как литий, алюминий, бор, азот или магний, — но они неизменно имеют проблемы, говорит он. «Обычно они выделяют водород при очень высокой температуре, и вернуть водород обратно в материал очень сложно, поэтому требуется очень высокое давление», — говорит он.

Путь вперед заключается в наноразмерах материалов, говорит Ожи-Зинсу.«Мы думаем, что таким образом мы сможем контролировать прочность связывания водорода». Таким образом можно избежать высоких температур и давлений. Команда уже добилась прогресса, используя этот подход. Боран аммиака с содержанием водорода 19,6% по весу является многообещающим материалом для хранения водорода, но основным недостатком является необратимость выделения водорода. «Несмотря на распространенное мнение, что эти материалы никогда не смогут обратимо хранить водород, мы можем создать соединение, которое может обратимо хранить водород», — говорит он.Хитрость заключалась в том, чтобы создать частицы борана аммиака размером 50 нм в никелевой матрице. 4 Пока этот материал обратимо сохраняет только 1% водорода по весу, но он работает при низких температурах и давлениях.

Команда Ожи-Зинсу также использует тот же подход к боргидридным материалам, как и Аллендорф и его коллеги из HyMARC к гидридам металлов. «Обычно проблема в том, что они слишком стабильны, и вам нужно нагреть их, чтобы удалить водород», — говорит Аллендорф. Но как только он сжался до одноразрядного нанометрового масштаба, может произойти резкое снижение энергии активации для выделения водорода, говорит он.Чтобы предотвратить слипание наночастиц, команда разработала способы их внедрения в поры MOF или пористого углерода. «Вероятно, это правильный путь — пористый углерод очень легкий и очень дешевый», — говорит он. Чтобы свести к минимуму количество материала-хозяина и максимально увеличить количество наночастиц, несущих водород, партнеру HyMARC Джеффу Урбану из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США недавно удалось обернуть наночастицы магния графеном, углеродом толщиной всего в один слой атомов. 5

Поиск жидкостей

Водородная энергия могла бы быть даже лучше подходящей для грузовиков и автобусов, чем для автомобилей.Более крупные автомобили могут включать в себя большие баки с газообразным водородом, находящимся под давлением всего около 200 бар. И в то время как автомобили с водородным двигателем, вероятно, столкнутся с жесткой конкуренцией со стороны аккумуляторных батарей, современные батареи не могут удерживать достаточно энергии на килограмм для питания грузовиков на дальние расстояния или поездок на автобусе в течение всего дня. Более высокая плотность энергии водорода и быстрая дозаправка идеально подходят для использования в тяжелых транспортных средствах.

Однако для перевозки большого количества водорода — будь то для заправочных станций или для доставки возобновляемого водорода по всему миру — давление на газ не сработает (см. вставку «Охлаждающие эффекты»).«Водород настолько легкий, что вы просто не можете накачать его в трейлере с трубами высокого давления, чтобы приблизиться к тому, что потребуется для снабжения водородной заправочной станции», — говорит Аллендорф.

Когда в октябре 2018 года финансирование HyMARC было возобновлено, исследовательская сфера проекта была расширена за счет сосредоточения внимания исключительно на хранении водорода в легковых автомобилях. «Область, которую мы только что начали, водородные носители, сосредоточена на транспортировке водорода из одного места в другое», — говорит Аллендорф. «Это молекулы, которые могут обратимо связывать водород с достаточно высокой емкостью, чтобы транспорт водорода был эффективным.По его словам, метанол и аммиак являются возможными молекулами-носителями.

Твердотельные материалы, такие как гидриды металлов, все еще могут использоваться для крупномасштабного транспорта водорода, говорит Бакли. «Твердое тело может быть темной лошадкой с точки зрения экспорта водорода», — говорит он. «Но на данный момент лидирует аммиак».

Охлаждающие эффекты

Для перемещения большого количества водорода не обязательно нужен материал для хранения водорода или химический носитель.Альтернативой является его сжижение, как это уже делается в огромных масштабах для перевозки природного газа. «Вы хотите транспортировать водород в максимально плотной фазе», — говорит Ойвинд Вильхельмсен, изучающий сжижение водорода в SINTEF Energy Research и Норвежском университете науки и технологий в Тронхейме. Одна лодка сжиженного водорода будет содержать такое же количество водорода, как пять лодок с газообразным водородом под давлением 200 бар.

В то время как природный газ сжижается примерно при –162°C, водород не сжижается до –253°C, всего на 20°C выше абсолютного нуля.Охлаждение до такой степени в настоящее время требует много энергии, но можно найти много способов повышения эффективности путем преодоления квантовых эффектов, которые проявляются при очень низких температурах.

Молекула диводорода с двумя протонами может образовывать два возможных изомера с квантовым спином. В пара-водороде, более стабильной форме, спин двух протонов противоположен; в орто-водороде спин выровнен. При комнатной температуре около 75% диводорода находится в орто-состоянии с более высокой энергией, но равновесие смещается при понижении температуры, пока при -253°C оно не станет почти 100% пара в равновесии.«Если вы просто охладите равновесную смесь при комнатной температуре, она будет медленно преобразовываться в резервуарах и высвобождать много энергии, а водород будет очень быстро испаряться», — говорит Вильхельмсен. «Это огромное количество энергии, которую вы не удалили из водорода».

Катализаторы в теплообменнике, используемом для сжижения водорода, могут ускорить орто-пара-переход во время охлаждения, но используемый в настоящее время катализатор на основе оксида железа работает довольно медленно. Одним из вариантов было бы использование более быстрого катализатора, такого как соединение никеля.Но Вильгельмсен исследует альтернативный подход; спиральный теплообменник, который охлаждает водород медленнее, что дает больше времени для действия катализатора. 8

Вильгельмсен также исследовал хладагенты, необходимые для охлаждения водорода до –253°C. При таких низких температурах единственными хладагентами, которые не замерзнут, являются водород, гелий и неон. «Проблема в том, что эти жидкости ведут себя очень странно при низких температурах из-за квантовых эффектов. Частицы ведут себя скорее как волна, а свойства отклоняются от ожидаемых, поэтому уравнение состояния для обычных жидкостей не работает.

В сотрудничестве с исследователями Имперского колледжа Лондона в Великобритании Вильгельмсен и его коллеги разработали новое термодинамическое описание этих очень низких температур. «Мы собираемся включить это в нашу структуру моделирования, чтобы мы могли разработать индивидуальную смесь квантовых жидкостей, которая будет хорошо работать с компрессорным оборудованием», — говорит он.

В настоящее время для сжижения водорода требуется 12 кВт/ч энергии на килограмм водорода, что эквивалентно примерно 25% энергии, выделяемой водородом в топливном элементе.«Наша цель — снизить мощность до 6 кВтч, то есть на 50 %», — говорит Вильхельмсен. «Я думаю, что это вполне достижимо, мы видим много возможностей для прогресса».

В Австралии, которая в настоящее время является крупнейшим в мире экспортером сжиженного природного газа и вторым по величине экспортером угля, аммиак рассматривается как способ экспорта возобновляемого водорода. Сжиженный аммиак — это хорошо зарекомендовавший себя промышленный химикат, поставляемый в огромных масштабах из-за его использования в удобрениях. Если бы аммиак производился из водорода, полученного из возобновляемых источников, а не из водорода из ископаемого топлива, который используется сегодня, он стал бы безуглеродным носителем водорода.Пропускание аммиака над горячим катализатором дает смесь остаточного аммиака, азота и водорода. Австралийское национальное исследовательское агентство CSIRO недавно продемонстрировало мембранную технологию, в которой используются селективно проницаемые трубки из палладия и ванадия для извлечения потока водорода, достаточно чистого для подачи непосредственно в топливный элемент. 6 Но эту технологию еще предстоит продемонстрировать в масштабе, и факт остается фактом: производство аммиака, производимого методом Габера-Боша, очень энергоемко.Но есть много альтернативных носителей водорода.

В 2007 году Дэвид Мильштейн из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, опубликовал новый тип каталитической реакции: образование амидной связи, основанное на реакциях спиртов и аминов в мягких условиях. 7 В то время мотивацией был чисто улучшенный синтетический метод получения амидов. Но тот факт, что в результате реакции выделяется газообразный водород в качестве побочного продукта, предполагает новое применение этой химии. «Мы подумали, что это может быть полезно для жидких органических носителей водорода», — говорит Мильштейн.

Команда проверила эту идею, используя этаноламин, молекулу, которая включает в себя спирт и амин и обратимо выделяет водород при реакции сама с собой. Совсем недавно команда использовала свои рутениевые клещевые катализаторы для разработки родственной реакции, в которой этиленгликоль олигомеризуется в реакции образования сложного эфира с выделением водорода. «Мы находимся на стадии октамера, который выделяет 5,8% водорода по весу, и мы хотели бы получить еще больше», — говорит Мильштейн. Теоретическая емкость хранения водорода в этиленгликоле равна 6.5 вес.%

Благодаря тонко сбалансированной термодинамике один и тот же катализатор-пинцет можно использовать для высвобождения водорода и регенерации носителя без высоких температур и давлений. Следующим шагом является иммобилизация катализатора на твердом носителе, а не его растворение в реакционной смеси. «Хотя, поскольку мы используем один и тот же катализатор для обоих направлений, жидкость может содержать катализатор», — говорит Мильштейн.

Какой способ хранения водорода лучше для различных целей, остается открытым вопросом, говорит Мильштейн.«Нам нужно идти во всех направлениях, чтобы найти лучшую систему», — говорит он. «Но разработка принципиально новых каталитических реакций открывает новые возможности в синтезе и энергии».

«Важно помнить, что технология хранения водорода прошла долгий путь», — говорит Аллендорф. «Он стал использоваться в коммерческих целях — может быть, не так, как это заметно потребителю, но они определенно там».

Джеймс Митчелл Кроу — научный писатель из Мельбурна, Австралия

*Мнения, выраженные Марком Аллендорфом, являются его собственными и не обязательно отражают точку зрения Министерства энергетики США.

Какое хранилище водорода лучше для меня?

Доступны различные варианты хранения водорода.Тот, который лучше всего подходит для вас, зависит от того, что наиболее важно для вашего приложения:

  • Сжатый
    • Экономичный
    • Легкодоступный
  • Металлогидрид (MH)
    • Высокая объемная плотность (кг ч3/фут3)
    • Тяжелый
    • Может потребоваться более продвинутое управление (нагрев/охлаждение и т. д.)
  • Боргидриды
    • Высокая объемная плотность
    • Легче, чем MH
    • одобрен FAA для использования на коммерческих самолетах (т.е. пассажир может продолжить)
    • Комплексные системы

 

Баллоны со сжатым водородом Баллоны со сжатым водородом

обычно являются наиболее доступным и экономичным решением. Как правило, наиболее экономичным решением для тестирования или некоторых стационарных приложений является простая аренда или покупка баллонов с водородом у местного поставщика газа, часто у местного поставщика сварочных материалов есть водород, доступный в кратчайшие сроки.

Шестигранный цилиндр Линкольна

Если вы готовы интегрировать в свою систему более совершенный резервуар, вам следует рассмотреть составные резервуары h3 от таких поставщиков, как: Luxfer, Worthington (SCI), Hexagon Lincoln

Эти баллоны часто сертифицированы Департаментом транспорта (DOT) (хотя и не всегда, уточните у производителя, если вы решите, что вам нужен сертифицированный DOT баллон) и легче, чем стандартные стальные баллоны, используемые в магазинах газоснабжения. Они доступны в различных размерах (и номинальном давлении) от разных производителей, а также доступны специальные версии, если вы готовы платить дополнительно.Имейте в виду, что время выполнения этих танков часто довольно велико (6-8 недель), если только вы случайно не поймаете их с инвентарем (что случается нечасто). Некоторые даже поставляются со встроенными регуляторами давления и предохранительными клапанами, что очень удобно.

Металлогидрид (MH)

Металлогидридное хранилище водорода — довольно крутая технология, в которой молекула водорода фактически адсорбируется в металлической матрице. Это приводит к тому, что плотность хранения газа выше, чем у жидкого водорода (в пересчете на объем).Это делает гидриды металлов отличными для приложений, которые ограничены в пространстве, но не в весе (или стоимости, как правило). Гидриды металлов обычно хранят водород в количестве 4-8 % по весу, не считая емкости для хранения или других требований к системе хранения. Это означает, что 100 кг материала MH будут хранить 4–8 кг водорода. С учетом локализации, баланса установки и т. д. ожидайте, что реалистичные цифры будут вдвое меньше.

Металлогидрид BL-120 имеет емкость по водороду 120-135 стандартных литров (4,6-5,19 станд. куб. футов) и время перезарядки ~9 часов.

Гидриды металлов адсорбируют водород при температуре от низкой до комнатной температуры и умеренном давлении и выделяют его при более высоких температурах. Точные температуры/давления зависят от конкретного выбранного соединения гидрида металла. Поскольку гидриды металлов выделяют тепло при адсорбции водорода, их необходимо охлаждать при заполнении (некоторые небольшие системы могут не нуждаться в активном охлаждении, просто помните, что бутылка будет становиться все теплее и холоднее, чем быстрее она может адсорбировать водород). Чтобы получить из них как можно больше водорода, их необходимо нагреть, чтобы высвободить водород.Все это требует дополнительных систем и элементов управления.

Но мне все же нравятся гидриды металлов; наука мне очень нравится, и она отлично подходит для определенных приложений, где вы можете позволить себе иметь гораздо более тяжелую систему в обмен на хранение большего количества водорода в меньшем пространстве.

Ознакомьтесь со всеми гидридами металлов в нашем интернет-магазине.

Боргидриды

Наиболее распространенным из них является борогидрид натрия (NaBh5), но есть и ряд других.Теоретически это, безусловно, очень круто, и я считаю, что некоторые компании достигли или когда-либо были близки к коммерческой жизнеспособности. Боргидриды имеют довольно высокую плотность водорода и на самом деле являются одним из немногих методов хранения водорода, одобренных для использования и перевозки на коммерческих самолетах. Два их самых больших недостатка, по моему опыту (который, конечно, немного ограничен), заключаются в том, что они используют воду и катализатор для высвобождения водорода, что нецелесообразно повторно наполнять/регенерировать борогидрид при использовании (необходимо менять картридж).

Тот факт, что пользователь не может легко перезарядить его, на самом деле не такая уж большая проблема, если есть цепочка поставок, чтобы поддерживать его, и вы можете пойти в местный магазин Quickie Mart или Walmart и получить заправочные картриджи. Или если вы не являетесь потребительским приложением и можете управлять своей собственной цепочкой поставок/логистикой (например, военной).

Потребность в воде и катализаторе для высвобождения водорода была проблемой во многих системах, которые я видел. Вода и NaBh5 создают своего рода шлам/шлам, который имеет тенденцию засорять трубы и камеры реактора (где находится катализатор).Сказав все это, я считаю, что может быть несколько компаний, которые преодолели эти проблемы (если вы там, сообщите нам об этом в комментариях).

Я знаю, что существует множество других способов хранения водорода. Какие методы хранения вы предпочитаете для своего приложения?

х3 Распределение и хранение | Линде Газ

Распределение и хранение являются двумя важными этапами в цепочке поставок водорода. Опираясь на наш многолетний опыт, мы тесно сотрудничаем с местными партнерами, чтобы найти методы производства, распределения и хранения, наиболее подходящие для местных логистических и экономических потребностей.

У нас есть технологии и ноу-хау для удовлетворения любых потребностей, независимо от расстояния между местами производства, хранения и распределения водорода; необходимое количество поставок водорода; и ежедневное потребление водорода.

Мы также специализируемся как на сжатом газообразном водороде (CGH 2 ), так и на криогенном жидком водороде (LH 2 ), температура которого составляет -253°C. Наши складские и транспортные средства варьируются от специально изолированных резервуаров для LH 2 до герметичных контейнеров (баллонов, связок баллонов, резервуаров и труб) для CGH 2 на различных производственных площадках.

Варианты распределения

Автомобильный транспорт
Для автомобильного транспорта у нас есть специальные прицепы CGH 2 для сжатого водорода и прицепы LH 2 для криогенного водорода.

Трубопроводы
Мы транспортируем большие объемы водорода на большие расстояния по нескольким трубопроводным сетям. У Linde более 1000 км трубопровода H 2 .

Производство на месте
Мы также строим и интегрируем оборудование на месте для производства водорода (путем риформинга или электролиза), тем самым устраняя затраты на транспортировку/транспортировку водорода.

Варианты хранения

Компрессорное хранилище
Водород можно сжимать в больших резервуарах без его сжижения. Как правило, это предпочтительный вариант, если подача газа более экономична.

Хранение жидкости
Водород также можно хранить в жидком виде при очень низких температурах (-253°C). Для этого варианта требуются высококачественные изолированные резервуары. Из-за высокой плотности энергии жидкого водорода на площадке требуется меньше места.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.