Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А
Использование материалов, абсорбирующих водород, в качестве водородных аккумуляторов обеспечат улучшение тактико-технических характеристик БПЛА таких, как: продолжительность и дальность полѐтов, взлѐтную массу, шумовой параметр, пожаробезопасность (относительно БПЛА с бензиновым двигателем).
Для развития поверхности электрода, то есть увеличения числа «ловушек» и для устранения нежелательного эффекта неравномерного распределения тока по электроду разработана технология импульсного электрохимического формирования пор в структуре металла. Было предложено использовать импульсные режимы питания электрода: наложение прямоугольных импульсов переменного тока на постоянный ток. Такой способ позволяет исключить процессы перезарядки емкости двойного электрического слоя и тем самым повысить эффективность использования импульсных режимов электролиза. В зависимости от скважности импульсного тока число дефектов возрастает прямо пропорционально скважности, что приводит к увеличению емкости накопителя по водороду – рис. 4.
Рис. 4. Формирование числа центров с использованием импульсного тока (Q – скважность импульсного тока)
В работе исследовались образцы композитов Ni-B и Ni-In в форме плѐнок, синтезированные электрохимическим методом и обладающие повышенной степенью дефектности. Продемонстрированы электрохимические процессы их получения, в которых приведены экспериментальные данные о влиянии легирующих добавок бора и индия на водородную проницаемость синтезированных электрохимических комплексов на основе никеля Nix-By- Hz и Nix-Iny-Hz. Показано, что путѐм создания ловушек (структурных, примесных) для водорода за счѐт введения дополнительных элементов в структуру металла или изменения структуры (интерметаллиды), а также с помощью других методов можно изменить водородную растворимость металла в большую или меньшую сторону в зависимости от технических требований. Исследования, проводимые с дейтерием, который использовался вместо водорода в качестве тестового, показали, что допустимо получение образцов композита Nix-Iny-Dz с содержанием дейтерия до 2 ат. D/ат. Мет, что соответствует 5,3 мас. % (для композитов данногосостава).
Научной целью работы является исследование способности электрохимических систем к окклюзии водорода за счет изменения их структуры (создания различного типа структурных и примесных ловушек) [5].
Никель–индий композиты в процессе изготовления электролитическим осаждением насыщаются водородом. Фактически, одновременно происходит два процесса: формирова-
181
ние никель–индий композита на медной подложке и его насыщение водородом. Проведены исследования по определению количества водорода, накопившегося в композитах в процессе их изготовления. Термодесорбционная спектроскопия - один из важнейших методов изучения взаимодействия газов с металлами, позволяет измерять температурные диапазоны десорбции газов, термодинамические параметры системы металл-газ в зависимости от концентрации внедренного газа. Эксперименты по изучению термоактивированногогазовыделения проводятся в измерительной камере № 1 установки «СКИФ». В результате получены спектры десорбции водорода (рис. 5). Затем, после охлаждения образца, проведена имплантация водорода дозой 1×1017 Н/см2 и регистрация этого спектра, как тестирующего для оценки количества водорода, накопившегося в композитах в процессе их изготовления. Суммарное количество водорода, выделившегося при нагревании из образца, определялась по площади фигуры, лежащей под кривой газовыделения.
Рис. 5. Спектры термодесорбции водорода, выделившегося из композитов системы Ni–In:- №1 состава 38 мас. % In и (2) - №2 состава 45,6 мас. % In
Из проведенных расчетов следует, что в композите №2 после его изготовления находилось 1,14×1018 атомов водорода, что соответствует формуле ат.Мет/ат.Н = 2, а в композите №1 концентрация атомов водорода соответствует формуле ат.Мет/ат.Н = 4.
В ходе работы над проектом были достигнуты следующие основные результаты.
1.Экспериментально доказано, что, формируя, структуры определенной степени дефектности (за счет структурных и примесных ловушек или интерметаллидов индия), можно изменять свойства металлов к аккумулированию водорода.
2.Предложенный эффект «изменение структуры за счет формирования в ней водородных ловушек – изменение способности к поглощению водорода металлами» может быть использован для реализации управления водородной проницаемости металлов и, в конечном счете, - создания материалов, являющихся накопителями водорода.
3.Продемонстрирована лабораторная методика синтеза электрохимических композитов никель-индий для аккумулирования водорода, определен их химический состав и подобраны режимы их синтеза.
4.Получены образцы площадью 24 см2, толщиной слоя электрохимического композита не менее 8-10 мкм (10-6 м). Допированные композиты никель-индий-водород обеспечили содержание в них водорода ~ 6 % вес. Этот норма коммерческого потребления. Размер образца представлен на рис. 6.
Рис. 6. Размеры образца, насыщенного водородом, электрохимическим методом
182
Получен патент на изобретение № 2608193 «Устройство для изменения траектории астероида, ядра кометы и других космических объектов». Заявка № 2015128741. Дата подачи заявка 14.07.2015. Решение о выдаче патента от 02.11.2016. Патент отличается от аналогов применением в качестве ударного тела - термоизолированного контейнера с гидридом металла, полученного электрохимическим способом, или на основе никелевой матрицы, имеющей различные варианты насыщения их водородом [10].
Поскольку для стационарных установок использование легких конструкционных материалов не является обязательным, то для хранения водорода предпочтительнее использовать металлы, не обладающие высокой стоимостью, но достаточно хорошо распространенные в природе. Кроме того, обязательным условием является сохранение в металлах устойчивых дефектов структур, при изменении температуры экстракции водорода в довольно широких пределах, например, от 150 до 2500. По этим признакам наиболее предпочтительно использовать металлы и сплавы на основе никеля, поскольку этот металл устойчив в водных щелочных растворах, что необходимо при процессах электролитического аккумулирования водорода. В тоже время, сплавы никеля облают достаточно хорошим магнитострикционным эффектом, а это позволит при соответствующих конструкторских доработках увеличить эффективность зарядных устройств, повысить скорость и степень аккумулирования водорода.
Результаты экспериментальных исследований и технологий ведущих предприятий энергетики создают предпосылки для реализации новых подходов к системам энергосбережения.
Главным достоинством водородных установок является их быстродействие - возможность оперативно осуществить запуск и быструю выдачу в энергосистему недостающей энергии. Высокая степень экологичности водородных энергетических установок позволяет их размещать непосредственно на производстве, но для этого необходимо обязательно обеспечить безопасное хранение водорода.
В составе энергоустановок современного типа должны находиться три основных компонента: энергоустановка утилизации отходов производства, базовая энергоустановка с классическим комплектом оборудования и водородная пиковая электроцентраль. Такая компоновка позволить более эффективно использовать технологическое оборудование базовых энергоустановок в сезон отсутствия сырья для переработки. На рис. 7 приведен общий вид водородного комплекса. Комплекс содержит основные компоненты: криогенное отделение, турбореакторный комплекс, топливный цех, паротубинную установку с электрогенератором.
Рис. 7. Водородный энергетический комплекс
Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
1.Современные водородные технологии целесообразно использовать в установках компактного и безопасного хранения водорода в энергогенерирующих комплексах.
2.Водородные гидридные комплексы – перспективные и надѐжные аккумуляторы, которые могут быть использованы для преобразования энергии водорода в другие виды энергии напрямую, так и для смягчения пиковых нагрузок на сушествующих энергетических комплексах (электростанциях, тепловых энергосистемах).
183
Решение проблемы создания высокоэффективных вторичных источников энергии на основе трансформации альтернативных источников позволит обеспечить их широкое народнохозяйственное использование практически во всех отраслях современной жизнедеятельности человека. Для замены габаритных, тяжелых и экологически опасных аккумуляторных батарей и кратко действующих гальванических элементов питания; для длительного жизнеобеспечения человека в труднодоступных и непригодных местах, например, на космических станциях или подводных лодках; для разрешения множества проблем министерства обороны и структур МЧС (например, быстрого развертывания и обеспечения длительного автономного функционирования подразделений). Одно из возможных применений водорода в качестве энергетического носителя это беспилотные летательные аппараты и различного типа радиоэлектроноые приложения гражданского и возможно оборонного назначения.
Научная новизна и инновационный приоритет зарегистрирована в патентах [6-9]. Работа выполнена по Договору (Соглашению) № 9856ГУ/2015 от 24.02.2016 ВГТУ на основе гранта.
Литература
1.Zvyagintseva A.V., ShalimovYu.N. On the Stability of Defects in the Structure of Electrochemical Coatings //Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2014. - Vol. 50. - No. 6.
-PP. 466–477.
2.Шалимов Ю.Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе. Диссертация на соискание учѐной степени доктора технических наук. Воронеж. 2006.
3.Тарасов Б.П., Бурнашева В.В., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Методы хранения водорода и возможности использования металлогидридов. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2005. - №12(32). - С. 14-37.
4.Zvyagintseva A.V. Hydrogen permeability of nanostructured materials based on nickel, synthesized by electrochemical method /Proceedings of the 2017 IEEE 7th International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties (NAP-2017). – IEEE Catalog Number: CFP17F65ART. - Part 2. - 02NTF41-1-02NTF41-5.
5.Звягинцева А.В. Гибридные функциональные материалы, формирующие металлические структуры с оптимальной дефектностью для хранения водорода в гидридной форме /Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – Саров: Изд-во «Научно-технический центр «ТАТА», 2017. – № 16-18 (228-230). - С. 89-103.
6.Пат. № 2521904 Российская Федерация. МПК 51, F17C 11/00. Аккумулятор водорода / Звягинцева А.В. Заявитель и патентообладатель - Звягинцева А.В. – 2013113421/06; заявл. 10.08.2013; опубл. 10.07.2014. - бюл. № 19. - 5 с.
7.Пат. № 2530235 Российская Федерация. МПК 51, С22B 9/16, B22D 27/02, C01B 6/24, C22C 19/03, C22F 1/10. Применение электролитического расплава для получения сплава Ni-B для аккумуляторов водорода. /Звягинцева А.В., Шалимов Ю.Н. Заявитель и патентообладатель - Звягинцева А.В. – 2013101100/02; заявл. 20.07.2014; опубл. 10.10.2014. - бюл. №
28. - 3 с.
8.Пат. № 2530230 Российская Федерация. МПК 51, С22C 19/03, C01B 6/24, C25C 1/24, C22F 3/00, C25C 3/36. Способ получения сплава Ni-B с дефектами структуры, используемого в качестве аккумулятора водорода /Звягинцева А.В., Шалимов Ю.Н. Заявитель и патентообладатель - Звягинцева А.В. – 2013106114/02; заявл. 12.08.2013; опубл. 10.07.2014. - бюл. № 28. - 3 с.
9.Артемьева А.О., Звягинцева А.В. Патент на изобретение № 2608193 «Устройство для изменения траектории астероида, ядра кометы и других космических объектов». Заявка № 2015128741. Дата подачи заявка 14.07.2015. Решение о выдаче патента от 02.11.2016.
1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
2ПАО «СИБУР ХОЛДИНГ»
184
3ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)
A.V. Zvyagintseva1, A.O. Artemeva2, R.N. Komarskii3
THE LATEST TECHNOLOGIES FOR DEVELOPING MATERIALS FOR HYDROGEN SYSTEMS USED IN ENERGY SOURCES BASED ON MODERN FUEL ELEMENTS
On the basis of electrochemical systems, a variant of a hydrogen battery was demonstrated. Nickel was used as a base and as a material with a greater propensity to absorb hydrogenThe system thus formed is close-packed, which provides a compact sample with a commercial norm of saturated hydrogen. The research ways and the methodology for the synthesis of structures of Nix-Iny- Hzedetrochemical composites based on nickel with an intentionally increased defectiveness are described. Electrochemical composite Ni-In with phase composition - Ni70In30, which has a structure that ensures the retention of doped deuterium (hydrogen) is synthesized. It is shown that the hydrogen content in the experimental samples of the Nix-Iny-Hz composite, determined by thermal desorption, was ~ 6 wt. %, which confirms: the galvanically obtained composite has the ability to accumulate hydrogen and further preserve it in the form of metallic hydrides
Key words: hydrogen, deuterium, materials, hydrogen storage, the defect structure, metal hydrides
1Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University»
2PJSC «SIBUR HOLDING»
3Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor
N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)
УДК 628.4; 504.06
.А.В. Звягинцева1, А.О. Артемьева2, Р.Н. Комарский3
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ЭФФЕКТИВНОГО ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА В СИСТЕМАХ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Исследованы способы хранения водорода в альтернативных источниках энергии, таких, как физические, химические, адсорбционные, металлогидридные. Обоснованы преимущества и недостатки каждого метода хранения водорода. Обоснованы основные достоинства металлогидридных систем хранения водорода связанного водорода. Акцент сделан на исследования возможности применения электрохимических систем для аккумулирования водорода. Представлена схема бесперебойного питания радиоэлектронных средств связи
Ключевые слова: альтернативные источники хранения водорода, бесперебойное питание, радиоэлектронное оборудование
Водородная энергетика как одно из направлений использования альтернативных источников энергии сформировалась в середине 70-х годов 20-го века. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода [1-6], становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях экономики.
Водород вообще можно считать универсальным топливом, поскольку он обладает абсолютной экологической чистотой, может заменить бензин, дизельное топливо и мазут в тепловых двигателях, пригоден для всех видов тепловых двигателей: поршневых с воспламенением от искры и сжатия, поршнетурбинных, во всех типах турбоустановок, двигателя Стирлинга, двигателей прямой реакции, для бытовых целей. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе энергетических систем и агрегатов. В природе в свободном виде водород практически отсутствует, поэтому он является вторичным энергоносителем (и стоит дороже, чем природные виды топлив), его применение в ряде случаев может стать экономи-
185