Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках

Кратко рассмотрено состояние работ в мире по использованию водорода в качестве экологически чистого источника энергии для транспорта и энергетики в целом. Приведены основные методы получения и хранения водорода, а также требования к ним. Особое внимание уделено анализу перспектив металлогидридного м...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Ажажа, В.М., Тихоновский, М.А., Шепелев, А.Г., Курило, Ю.П., Пономаренко, Т.А., Виноградов, Д.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81337
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелев, Ю.П. Курило, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 145-152. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81337
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-813372025-02-09T13:36:57Z Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках Матеріали для зберігання водню:аналіз тенденцій розвитку на основі даних про інформаційні потоки Hydrogen storage materials: analysis of trends in the progress based on the data retrieved from information flows Ажажа, В.М. Тихоновский, М.А. Шепелев, А.Г. Курило, Ю.П. Пономаренко, Т.А. Виноградов, Д.В. Физика и технология конструкционных материалов Кратко рассмотрено состояние работ в мире по использованию водорода в качестве экологически чистого источника энергии для транспорта и энергетики в целом. Приведены основные методы получения и хранения водорода, а также требования к ним. Особое внимание уделено анализу перспектив металлогидридного метода хранения водорода. На основе рассмотрения информационных потоков отмечены наиболее перспективные сплавы – накопители водорода и проанализированы тенденции развития этих материалов в различных странах. Коротко розглянуто стан робот в світі по використанню водню як екологічно чистого джерела енергії для транспорту і енергетики в цілому. Наведено основні методи отримання і зберігання водню, а також вимоги до них. Особливу увагу відведено аналізу перспектив металогідридного методу зберігання водню. На основі розгляду інформаційних потоків відмічено найбільш перспективні сплави – накопичувачі водню та проаналізовано тенденції розвитку цих матеріалів в різних країнах. A brief consideration is given to the world state of the art of using hydrogen as an ecologically clean energy source for transport and power engineering on the whole. Basic methods are presented together with the requirements imposed on the methods. Special attention is paid to the analysis of prospect for the metal-hydride method of hydrogen storage. On the basis of the information flows considered, most promising alloys as hydrogen accumulators are indicated; trends in the development of these materials in different countries are analyzed. 2006 Article Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелев, Ю.П. Курило, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 145-152. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81337 542.76; 662.769.2 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Ажажа, В.М. Тихоновский, М.А. Шепелев, А.Г. Курило, Ю.П. Пономаренко, Т.А. Виноградов, Д.В. Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках Вопросы атомной науки и техники
description	Кратко рассмотрено состояние работ в мире по использованию водорода в качестве экологически чистого источника энергии для транспорта и энергетики в целом. Приведены основные методы получения и хранения водорода, а также требования к ним. Особое внимание уделено анализу перспектив металлогидридного метода хранения водорода. На основе рассмотрения информационных потоков отмечены наиболее перспективные сплавы – накопители водорода и проанализированы тенденции развития этих материалов в различных странах.
format	Article
author	Ажажа, В.М. Тихоновский, М.А. Шепелев, А.Г. Курило, Ю.П. Пономаренко, Т.А. Виноградов, Д.В.
author_facet	Ажажа, В.М. Тихоновский, М.А. Шепелев, А.Г. Курило, Ю.П. Пономаренко, Т.А. Виноградов, Д.В.
author_sort	Ажажа, В.М.
title	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
title_short	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
title_full	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
title_fullStr	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
title_full_unstemmed	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
title_sort	материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81337
citation_txt	Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелев, Ю.П. Курило, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 145-152. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ažažavm materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT tihonovskijma materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT šepelevag materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT kuriloûp materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT ponomarenkota materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT vinogradovdv materialydlâhraneniâvodorodaanaliztendenciirazvitiânaosnovedannyhobinformacionnyhpotokah AT ažažavm materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT tihonovskijma materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT šepelevag materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT kuriloûp materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT ponomarenkota materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT vinogradovdv materíalidlâzberígannâvodnûanalíztendencíjrozvitkunaosnovídanihproínformacíjnípotoki AT ažažavm hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows AT tihonovskijma hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows AT šepelevag hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows AT kuriloûp hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows AT ponomarenkota hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows AT vinogradovdv hydrogenstoragematerialsanalysisoftrendsintheprogressbasedonthedataretrievedfrominformationflows
first_indexed	2025-11-26T07:53:01Z
last_indexed	2025-11-26T07:53:01Z
_version_	1849838635954733056
fulltext	УДК 542.76; 662.769.2 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА: АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ОБ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКАХ В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелев, Ю.П. Курило, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт" г.Харьков, Украина; E-mail: tikhonovsky@kipt.kharkov.ua Кратко рассмотрено состояние работ в мире по использованию водорода в качестве экологически чисто- го источника энергии для транспорта и энергетики в целом. Приведены основные методы получения и хра- нения водорода, а также требования к ним. Особое внимание уделено анализу перспектив металлогидрид- ного метода хранения водорода. На основе рассмотрения информационных потоков отмечены наиболее пер- спективные сплавы – накопители водорода и проанализированы тенденции развития этих материалов в раз- личных странах. Современное состояние мировой энергетики, основанной, главным образом, на традиционных уг- леводородных источниках сырья, даже по оптими- стичным оценкам характеризуется как предкризис- ное. И дело не только в очевидном истощении этих ресурсов, но и в возрастании опасности глобальных катастроф вследствие загрязнения окружающей сре- ды. Безусловно, атомная энергетика с учетом имею- щихся запасов урана и тория будет играть все большую роль в мировой экономике. Предполагает- ся, что в отдаленном будущем решающее место в крупномасштабной энергетике займет термоядерная энергия. Однако уже сейчас видно, что серьезные энергетические и экологические проблемы настиг- нут мир прежде, чем в строй вступит первая термо- ядерная электростанция. Кроме того, даже если предположить, что атомная и термоядерная энерге- тика будет в состоянии произвести необходимое количество электроэнергии, остается неясным, ка- ким образом полученная энергия может обеспечить, например, функционирование транспорта или жиз- недеятельность удаленных районов. (На сегодняш- ний день транспорт использует около половины мирового объема потребления нефтепродуктов, а в США – до 65%. При этом в выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержится около 45 токсич- ных веществ, в том числе канцерогены [1]). Поэтому поиск альтернативных возобновляемых и экологиче- ски чистых источников, способных обеспечить че- ловечество энергией на ближайшие сотни лет, яв- ляется одним из несомненных приоритетов совре- менной науки. Этот поиск показывает, что одним из наиболее вероятных заменителей органического топлива энергоносителей для транспорта и энерге- тики в целом является водород [1-4]. Водород при- годен для всех видов тепловых двигателей: поршне- вых, турбинных, поршнетурбинных, двигателей Стирлинга и т.д. При этом водород как топливо имеет высокое содержание энергии на единицу мас- сы – 120,7 МДж/кг, что выше, чем у любого органи- ческого топлива [1]. Использование водорода для получения энергии ведет к резкому снижению за- грязнения окружающей среды. (При сгорании водо- рода в кислороде токсичные выхлопы полностью от- сутствуют, так как продуктом реакции является вода, а при сгорании в воздухе загрязнения намного ниже, чем при использовании бензина). Очень важно, что водород может быть исполь- зован для прямого преобразования химической энергии в электрическую. Такое преобразование происходит в электрохимическом генераторе (топ- ливном элементе) при соединении водорода с кис- лородом на одном из электродов [3-5], вредные вы- бросы при этом практически отсутствуют. Коэффи- циент полезного действия (КПД) топливного эле- мента может достигать очень высоких значений – от 40 до 70 %, и он относительно мало зависит от уста- новленной мощности и нагрузки (напомним, что КПД тепловых машин, таких как двигатель внутрен- него сгорания, дизель и т.д. не превышает 40%). Именно прогресс в разработке топливных эле- ментов (ТЭ) с высоким КПД вселяет уверенность в перспективах использования водорода как топлива при создании автономных мобильных и стационар- ных источников энергии. Такие источники могут найти широкое применение на транспорте, в том числе в автомобилях с так называемыми "гибридны- ми" двигателями (обычный двигатель плюс элек- тродвигатель на ТЭ). Автомобили с ТЭ особенно перспективны для использования в городских усло- виях. Другой бурно развивающийся рынок ТЭ свя- зан с необходимостью увеличения длительности не- прерывной работы малогабаритных электронных устройств (сотовых телефонов, портативных персо- нальных компьютеров и т.д.) и замены в них обыч- ных батарей и аккумуляторов на более энергоёмкие источники электропитания. Успехи, достигнутые в разработке ТЭ, рост цен на традиционные энергоносители (в особенности на нефть), политическая нестабильность в странах – экспортерах нефти, экологические проблемы – все это привело к осознанию на правительственном ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 145 mailto:tikhonovsky@kipt.kharkov.ua уровне необходимости ускоренного развития иссле- дований и технологий в области водородной энерге- тики. В этой связи характерно решение президента США Дж. Буша о включении водородной энергети- ки в число национальных приоритетов. Конгресс США принял решение о финансировании в размере 1,3 млрд. дол. США работ по топливным элементам для автомобилей [1]. Япония поддерживает разви- тие технологий, основанных на водороде и ТЭ, пу- тем 28-летней программы (1993-2020) с общим бюд- жетом 2,4 млрд. евро. Финансирование исследова- ний по ТЭ в Европе составляет примерно 1/3 часть от финансирования в США и 1/4 часть от финанси- рования в Японии [1,3,4,6]. При этом в последние годы страны ЕС активно разрабатывают стратегию консолидации усилий правительств и крупных меж- национальных компаний в области разработки водо- родных технологий и топливных элементов [3]. От- метим, что крупные негосударственные компании, главным образом автомобильные, также вкладыва- ют в разработку водородных технологий значитель- ные средства [1,3,6]. В России, например, компания "Норильский никель" заключила соглашение с Рос- сийской академией наук о выделении последней ежегодно 30 млн. долларов на работы в области во- дородной энергетики [4]. Существуют идеи и более широкой "глобализа- ции" работ по водородной энергетике. Так, в ноябре 2003 г. подписано соглашение “Международное партнерство по водородной экономике”. Его участ- никами стали Австралия, Великобритания, Брази- лия, Германия, ЕС, Индия, Исландия, Италия, Кана- да, Китай, Норвегия, Республика Корея, Россия, США, Франция, Япония [1]. Предполагается, что "Международное партнерство по водородной эконо- мике" (МПВЭ) обеспечит механизм организации, оценки и координации многосторонних исследова- ний, разработок и программ развертывания, которые ускорят переход к глобальной водородной экономи- ке [1]. Очевидно, что для перехода к водородной энергетике необходимо решить серьезные научные, технологические и технические проблемы. К таким проблемам относят в первую очередь получение до- статочно дешевого водорода в массовом количестве, хранение и доставку водорода, эффективное его ис- пользование. Ниже мы вкратце остановимся на проблеме получения водорода и подробнее проана- лизируем вопросы хранения водорода, главным об- разом, с использованием материалов-аккумулято- ров. С проблемой эффективного использования во- дорода можно ознакомиться в работах [3-5]. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА Общее представление о различных технологиях получения водорода дает табл. 1. На сегодняшний день рынок водорода в мире со- ставляет около 50 млн.т, в том числе 12 млн.т в США. Согласно оценкам к 2010 г. рынок водорода в мире возрастет до 100 млн. т, из которых на США придется 50 млн.т. В настоящее время наиболее рентабельным способом производства водорода яв- ляется паровая конверсия метана (реформинг). Со- гласно данным Министерства энергетики США в 1995 г. стоимость водорода, получаемого рефор- мингом, для условий большого завода составляла 7 дол. за 1 ГДж, что эквивалентно стоимости 0,24 дол. за 1 л бензина при стоимости природного газа 2,3 дол. за 1 ГДж (80 дол../1000 м3). Произ- водство водорода путем электролиза воды на осно- ве современной технологии оценивается по за- тратам от 10 до 20 дол. за 1 ГДж в зависимости от стоимости электроэнергии и капитальных вложений в электролизеры [1]. В будущем для массового производства водорода считается весьма перспек- тивным использование атомной энергии. При этом рассматриваются два основных пути: а) использова- ние избыточных мощностей АЭС в ночное время для наработки водорода методом электролиза; б) ис- пользование высокотемпературных реакторов с га- зовым или металлическим теплоносителем для по- лучения водорода в процессе термических циклов. Последняя технология может быть наиболее выгод- на с экономической точки зрения. (Разработанная в СССР в начале 70-х годов XX века концепция широ- кого использования производимого из воды с помо- щью ядерных реакторов водорода как энергоносите- ля в промышленности, энергетике, на транспорте и в быту получила название атомно-водородной энер- гетики [1,2]). ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА Одной из центральных проблем водородной энергетики являются большие затраты на хранение и транспортировку водорода. Проблема связана в первую очередь с очень низкой плотностью водоро- да в газообразном состоянии (при атмосферном дав- лении и обычной температуре 1 кг водорода имеет объем 11 м3). На сегодняшний день рассматривается несколько основных вариантов хранения водорода (табл. 2). Различные способы хранения водорода сравнива- ются по ряду параметров, основными из которых яв- ляются: 1. Объемное содержание водорода (кг/м3) – масса водорода, приходящаяся на объем аккумулятора. 2. Массовое содержание водорода (кг водорода на кг общего веса заряженного аккумулятора в %). 3. Условия хранения (давление и температура), герметичность, чувствительность к влаге и воздуху. 4. Условия гидрирования-дегидрирования. При каких условиях происходит поглощение водорода аккумулятором и при каких условиях он выделяет водород – Т(К), Р(МПа), необходимость катализато- ра или химического реагента. 5. Циклическая устойчивость. Сколько циклов перезарядки с сохранением приемлемых парамет- ров может обеспечить аккумулятор (фактически – время эксплуатации). 6. Стоимость. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 146 Таблица 1 Основные технологии получения водорода [1,3] Технология получения водорода Преимущества Недостатки 1 2 3 Электролиз: разложение воды электрическим током Устоявшаяся и коммерчески доступная технология; детально изученный промышленный процесс, удобный для получения водорода от воспроизводимых источников энергии (например, солнечной), компенсирует периодическую природу некоторых источников возобновляемой энергии; высокая чистота конечного продукта Высокие энергозатраты, конкуренция с прямым использованием возобновляемой электроэнергетики Реформинг (стационарный и на транспорте): тепловое разложение углеводородного топлива паром Хорошо изучен в больших масштабах; широко распространенный процесс; низкая стоимость продукта из природного газа; возможность комбинации с секвестрацией двуокиси углерода ("углеродное хранение") Маломасшабные устройства не имеют коммерческого значения; конечный продукт содержит примеси, требуется газоочистка для некоторых приложений; выбросы двуокиси углерода; дополнительные затраты на секвестрацию двуокиси углерода; первичное топливо может использоваться непосредственно Газификация: разложение тяжелых углеводородов и биомассы на водород и газы для последующего реформинга Технология хорошо изучена для тяжелых углеводородов в больших масштабах; может быть использована для твердых и жидких топлив; продемонстрирована газификация биомассы Маломасштабные устройства редки; конечный продукт требует интенсивной очистки перед использованием; биомасса используется в качестве удобрения; процесс до конца не изучен; конкуренция с синтетическими топливами из биомассы Термохимические циклы, использующие дешевое высокотемпературн ое тепло ядерных реакторов или концентрированно й солнечной энергии Принципиально возможно производство больших объемов при низкой стоимости и без выброса парниковых газов для тяжелой промышленности и транспорта. Существует международное сотрудничество в области исследований, разработок и внедрения Процесс сложен, еще не имеет коммерческого значения, требуются долговременные исследования (порядка 10 лет) материалов, усовершенствования химической технологии; требуется высокотемпературный ядерный ректор (ВТЯР) или солнечные концентраторы Биологическое производство [7]: при некоторых условиях водоросли и бактерии вырабатывают водород Потенциально большой ресурс Малая скорость накопления водорода; нужны большие площади; наиболее подходящие объекты еще не найдены; исследования продолжаются С учетом перспектив использования водорода в мобильных системах различными организациями были разработаны основные требования к хранению водорода приведены в табл.3. В табл. 4 представлены характеристики некото- рых металлогидридов, перспективных в качестве ма- териалов для хранения водорода. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 147 Анализ требований и данных по характеристи- кам различных систем хранения водорода (см.табл. 2-4) показывает, что хранение водорода в связанном виде в гидридах является весьма перспек- тивным. Так, ряд гидридов на основе магния по массовому и объемному содержанию водорода удовлетворяет (или близок к этому) требованиям, изложенным в табл. 3 (отметим, что рекорд по гра- виметрическому содержанию водорода принадле- жит LiBH4 и ВеН2 – около 18 мас.%, а по объемному содержанию Mg2FeH6 – 150 кг/м3 [10]). Таблица 2 Основные методы хранения водорода [3,8,9] Способы хранения Преимущества Недостатки 1. Баллоны со сжатым газом (Т=300 К, Р≤200 бар) Технология хорошо отработана и доступна, стоимость относи- тельно невысока Низкое объемное содержание (около 7,7 кг/м3 при давлении 100 бар). Плотность запасенной энергии при высоких давлени- ях (до 700 бар) сравнима с жидким водо- родом, но технология хранения при таких высоких давлениях до конца не отработа- на 2. Емкости с жид- ким водородом (Т =20,4 К) Технология доступна, высокая плотность (71 кг/м3) Высокие энергозатраты на сжижение, по- тери водорода на испарение, необходи- мость суперизоляции, как следствие, высо- кая стоимость 3. Криоадсорбци- онный: активиро- ванный уголь (Т=155 К) Технология проста и достаточ- на отработана Низкое объемное содержание (0,5… 20 кг/м3). Необходимость охлаждения и компримирования 4. Углеродные на- ноструктуры: на- нотрубки, фулере- ны Технологии в перспективе мо- гут обеспечить высокую плот- ность хранения водорода (30… 100 кг/м3) Производство углеродных структур недо- статочно отработано, результаты по удер- жанию водорода невоспроизводимы 5. Гидриды метал- лов, сплавов , ин- терметаллических соединений и композитов Удобство и безопасность хране- ния в твердой фазе (в связанном состоянии); ряд технологий до- статочно хорошо отработан Недостаточная емкость, необходимость подогрева, деградация со временем, отно- сительно высокая стоимость Таблица 3 Современные требования к мобильным системам хранения водорода [9] Японская правительственная программа WE-NET Департамент энергетики США Международное Энергетическое Агентство Количество водорода – >3мас.%. Температура дегидрирования -<100 ºС. Циклическая устойчивость – >90% после 5000 циклов Количество водорода – >6мас.%. Количество водорода по обему - >60 кг/м3 Количество водорода - >5мас%. Температура дегидрирования – <150 ºC Таблица 4 Характеристики перспективных металлогидридных систем хранения водорода [9] Металлическая фаза Плотность сплава (гидри- да), г/см3 Содер- жание Н в гидриде, мас. % Условия выделения водорода Т, К РН2, МПа ΔН, кДж/моль Н2 LaNi5 8,3 (6,6) 1,4 293 0,12…0,15 31 La0,7Mm0,3Ni5 8,2 (6,5) 1,4 293 0,35…0,40 30 TiFe 6,9 (5,5) 1,7 293 0,1…0,2 30…33 (Ti,Zr)(Mn,V,Fe,Gr)2 6…7 (5…6) 1,8…2,2 293 0,1…1,0 30…40 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 148 Mg2Ni 3,4 (2,7) 3,7 523 0,12…0,15 65 Mg-Mm-Ni 2,5 (2,1) 5…5,4 573 0,3 и 0,1 70 Примечания: 1. Мm – мишметалл. 2. ΔН - количество тепла, выделяемого при образовании гидрида (соот- ветственно поглощаемого при диссоциации гидрида). Основные трудности, которые необходимо ре- шить для этих материалов, это улучшение условий сорбции-десорбции и повышение циклической устойчивости аккумулятора. Ниже мы подробнее остановимся на некоторых аспектах гидридного хранения водорода и проанали- зируем потоки научной литературы по проблеме хранения водорода. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТО- КОВ ПО ПРОБЛЕМЕ ГИДРИДНОГО ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА В основе металлогидридного способа аккумули- рования водорода лежит способность ряда металлов, интерметаллических соединений, сплавов и компо- зиционных материалов обратимо и избирательно поглощать водород по реакции [ 9]: →Рабс, Табс RnTm + x H2 <========> RnTmH2x + Q, (1) ←Рдес, Тдес где R – гидридообразующий металл II, III и IV групп; Т – 3d и 4d-переходный металл; n, m=1… 5; Q – теплота реакции. Повышение давления газообразного водорода и понижение температуры смещают равновесие (1) в сторону образования гидрида, а понижение давле- ния и повышение температуры вызывают разложе- ние гидрида. Интерес к гидридам как источникам водорода появился во второй половине 20-го века. Так, в 1960 г. В.И. Михеева в книге "Гидриды переходных металлов" [11], отметила целесообразность исполь- зования гидридов металлов как источника водорода высокой чистоты (выделяющийся из гидридных фаз водород содержит не более 0,001% газообразных примесей), поскольку в них атомы водорода "хими- чески скомпактированы" более плотно, чем в жид- ком водороде. Возможность реализовать эту идею практически появилась лишь в 1970 г, когда было обнаружено, что интерметаллид LaNi5 способен поглощать, а при десорбции выделять большее ко- личество водорода при температурах, близких к комнатной, и давлениях порядка 0,2 МПа [10]. В ре- зультате последующих исследований было синтези- ровано большое количество сплавов-накопителей водорода [8,12-14]. Постоянно растущий интерес к проблеме хране- ния водорода в целом и к разработке сплавов-нако- пителей водорода, в частности, иллюстрируется рис.1, 2. Исследования информационных потоков осуществлялись нами с помощью анализа Междуна- родной автоматизированной Базы Данных (БД) "Materials Science Citation Index" (MSCI), созданной в 1991 г. Институтом Научной Информации США. В БД вводятся рефераты публикаций из 500 на- именований журналов всего мира по материаловеде- нию. Анализ рис.1, 2 позволяет сделать несколько вы- водов. 0 500 1000 1500 2000 2500 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 а Другие 26,4% Англия 2,1% Тайвань 1,6% Норвегия 2,1% Россия 2,1% Польша 2,3% Австралия 2,2% Другие 30 стран 14,0% Индия 5,4% Франция 6,7% Германия 7,0% Канада 6,3% США 16,2% Япония 32,0% б Рис.1. Кумулятивный рост количества информаци- онных документов в БД MSCI (1991- июнь 2005 гг.) по проблеме хранения водорода (а ) и вклад стран в публикации (б) 0 600 1200 1800 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 а Швейцар. 3,4% Австрал. 2,6% Польша 2,4% Германия 5,1% Индия 5,7% Франция 6,2% Канада 7,3% США 12,7% Япония 34,4% Другие 28,7% Другие 25 стран 18,1% Тайвань 2,2% б Рис. 2. Кумулятивный рост количества информаци- онных документов в БД MSCI (1991 – июнь 2005 гг.) ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 149 по гидридным материалам для хранения водорода (а) и вклад стран в публикации (б) Во-первых, видно, что публикации по гидридно- му хранению водорода составляют основную долю всех документов, связанных с проблемой хранения водорода. Во-вторых, лидирующее положение по числу публикаций по этим вопросам занимает Япо- ния, значительно опережающая США. В-третьих, отметим относительно высокую долю индийских и норвежских публикаций. Отдельно заметим, что по- давляющее число публикаций (около 93%) опубли- ковано на английском языке. Хотя проблема использования углеродных структур для хранения водорода выходит за рамки данной статьи, отметим стремительный рост коли- чества публикаций в этом направлении, особенно в части нанотрубок (рис.3). Причем, распределение публикаций по странам здесь существенно другое. Так, по использованию углеродных структур в це- лом доли Японии и США равны (приблизительно по 23%), а по нанотрубкам США опережает Японию (26% против 18%). 0 200 400 600 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 a 0 100 200 300 400 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 б Рис.3. Кумулятивный рост количества информаци- онных документов в БД MSCI (1991- июнь 2005 гг.) по проблеме хранения водорода в углеродных мате- риалах в целом, включая активированный уголь (а), и в нанотрубках в отдельности(б) Возвращаясь к проблеме хранения водорода в сплавах-накопителях водорода (СНВ), суммируем требования, предъявляемые к таким сплавам. СНВ должны [10]: 1) обладать большой сорбционной ем- костью; 2) легко поглощать и выделять водород при комнатной или относительно невысоких температу- рах при давлениях водорода, равных или несколько ниже атмосферного; 3) выделять максимум погло- щенного водорода при десорбции; 4) характеризо- ваться небольшим различием давлений водорода при его поглощении и выделении; 5) обладать высо- кой теплопроводностью; 6) легко активироваться; 7) иметь невысокую стоимость; 8) сохранять рабо- чие характеристики в процессе эксплуатации. Разработанные к настоящему времени СНВ со- стоят из металлов, образующих стабильные гидриды (Mg, Ti, Zr, Nb, РЗМ и др.), и металлов, являющихся хорошими катализаторами в химических реакциях (Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu и др.), хотя и имеющих сла- бое сродство к водороду [13]. Предложенные спла- вы-накопители водорода можно разделить на следу- ющие группы: а) сплавы на основе РЗМ, в том числе мишметалла (Мm); б) сплавы на основе титана; в) сплавы на основе циркония; г) сплавы на основе магния; д) сплавы на основе других металлов и сплавов. Основой сплавов, содержащих РЗМ, яв- ляется интерметаллид LaNi5 (соединения АВ5) [13]. Поскольку лантан дорог, то его заменяют мишме- таллом (Мm), который содержит 25…35 % La, 40… 50% Cе, 4…15 % Pr, 4…15 % Nd, 1…7 % Sm + Gd и неизбежных примесей (Fe, Si, Mg, Al). Для увеличе- ния способности сплавов типа LaNi5(MmNi5) к поглощению водорода, уменьшению числа циклов активации, повышения стабильности характеристик в процессе эксплуатации и снижения стоимости их легируют различными элементами (B, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn). Сорбционную емкость СНВ типа RNi5, где R – РЗМ, удалось заметно повысить, заменив часть РЗМ на Ca (например, Ca1–xCexNi5) [13], а также путем замещения атомов никеля други- ми элементами (Mg, Al, Ti, Zr, Mn, Mo, Cr, V, Fe, Co, Si, Zn и Sn). С учетом того, что эти сплавы истори- чески были первыми реальными материалами для накопителей водорода, вполне резонно, что им по- священо наибольшее число публикаций (рис. 4,а). И на сегодняшний день продолжаются интенсивные исследования, направленные на улучшение свойств этих материалов [8,14]. 0 250 500 750 1000 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 а ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 б Рис.4. Кумулятивный рост количества информаци- онных документов в БД MSCI (1991- июнь 2005гг.) по хранению водорода в различных сплавах: а – соединения типа АВ5; б – сплавы на основе ти- тана 0 50 100 150 200 250 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 а 0 200 400 600 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 б Рис.5. Кумулятивный рост количества информаци- онных документов в БД MSCI (1991- июнь 2005гг.) по хранению водорода в различных сплавах: а – сплавы на основе циркония; б – сплавы на основе магния Гидриды на основе сплавов титана имеют непло- хие шансы заменить соединения АВ5 главным об- разом благодаря своей низкой стоимости. Исследования в области этих материалов (см.рис. 4,б) связаны в основном со сплавами на основе TiFe, TiMn, TiV и направлены на улучшение обратимости процессов поглощения-выделения во- дорода, улучшение термодинамических характери- стик сплавов, повышение их водородной емкости [8, 13,15,16]. Сплавы-накопители водорода на основе цирко- ния (рис. 5,а) базируются в основном на фазах Ла- веса (ZrMn2, ZrV2, ZrFe2, ZrCo2) [8,12-17]. Однако гидриды этих фаз отличаются высокой стабильно- стью, так что давления их диссоциации слишком малы для практического использования. Легируя эти фазы железом, титаном, хромом, никелем, медью, удается повысить давление диссоциации до прием- лемых величин. Магний может связывать большое количество водорода (в расчете на единицу массы) 7,6% [9-13]. К достоинствам магния относятся также малая его плотность и низкая стоимость. С этими обстоятель- ствами и связан большой интерес к магнию и его сплавам (см.рис. 5,б). К сожалению, магний взаимо- действует с водородом при довольно высоких тем- пературах (250…400 °C) и трудно активируется. Для повышения скорости поглощения и выделения водо- рода магний превращают в порошок с размерами ча- стиц менее 50…75 мкм и легируют Ni, La, Ce, Cd, Fe, Lu, Sn, Er, Ti, Mn [13]. Основная задача исследо- ваний СНВ на основе магния состоит в поиске леги- рующих элементов, снижающих температуры аб- сорбции и десорбции водорода. СНВ на основе других металлов разработано мало [13], например сплавы типа (V1-xTix)1-yMy, где М – Fe, Cr, Mn, Si, Al, Ni . К преимуществам этих спла- вов можно отнести возможность непрерывного из- менения термодинамических характеристик путем изменения параметров их состава х и y. Табл.5 показывает предпочтения, которые отда- ют исследователи различных стран в разработке тех или иных СНВ. Видно, что Украина по числу публикаций входит в число шести ведущих стран в области исследования СНВ на основе циркония. Ве- роятно, это связано с тем вниманием, которое уделя- ется в Украине цирконию как стратегическому ма- териалу, играющему существенную роль в атомном реакторостроении. Таблица 5 Относительная доля публикаций специалистов ведущих стран по хранению водорода в СНВ Сплавы типа AB5 Япония ~ 37% США ~ 11% Канада ~ 8% Франция ~ 7% Германия ~5% Сплавы на осно- ве Ti Япония ~ 35% США ~ 17% Германия ~ 8% Канада ~ 8% Индия ~4% Сплавы на осно- ве Zr Япония ~ 24% США ~ 19% Германия ~ 8% Индия ~6% Украина ~ 5% Сплавы на осно- ве Mg Япония ~ 33% Канада ~ 15% США ~ 8 % Германия ~ 7% Франция ~ 6% ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 151 В заключение отметим, что в течение длительно- го времени оптимизация свойств СНВ осуществля- лась в основном путем изменения их химического состава. В последние годы появилось значительное число публикаций, в которых изучается связь специ- фической микроструктуры (аморфной, микро- и на- нокристаллической, нанокомпозитной и др.) со свойствами СНВ (см., например, [18]). Нам пред- ставляется, что дальнейшие успехи в улучшении свойств СНВ будут связаны с одновременной опти- мизацией состава и микроструктуры сплавов. ЛИТЕРАТУРА 1. Н.Н. Пономарев-Степной, А.Я. Столяревский. Атомно-водородная энергетика — пути раз- вития, «Энергия», 2004, № 1, с. 3-9. 2. В.А. Легасов, Н.Н. Пономарев-Степной, А.Н Проценко. и др. Атомно-водородная энер- гетика (прогноз развития) // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика. 1976, в. 1, с. 5-34. 3. Водородная энергетика и топливные элементы – взгляд в будущее: Заключительный отчет экс- пертной группы Евросоюза, 2003. (www.ioffe.rssi.ru/FuelCells/FC-final.pdf ). 4. Г.А. Месяц, M.Д. Прохоров. Водородная энер- гетика и топливные элементы // Вестник Рос- сийской академии наук, 2004, т. 74, № 7, с.579- 597. (http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/2004 /04_07/HYDRO.HTM). 5. Н.В. Коровин. Водородные топливные элемен- ты. Состояние и проблемы // 7-я Международ- ная конференция "Водородное материаловеде- ние и химия углеродных материалов". 2001, с.928-929. 6. A National Vision of America's Transition to a Hy- drogen Economy –To 2030 and Beyond . United Sate Department of Energy, 2002. (www.ener-get- ics.com/rep_products.asp?Product=37) 7. D.V. Levin, L. Pitt, M. Love. Biohydrogen produc- tion: prospects and limitations to practical applica- tion // International Journal of Hydrogen Energy. 2004, v.29, р. 173-185. 8. A. Züttel. Materials for hydrogen storage. // Mate- rials Today. 2003, September, p.24-33 9. Б.П. Тарасов. Металлогидридные системы обра- тимого хранения водорода // Сборник тезисов второго Международного симпозиума «Без- опасность и экономика водородного транспор- та» (IFSSEHT-2003) // Альтернативная энерге- тика и экология. 2003, спец. выпуск, с.38-39. 10. Б.М. Булычев, П.А. Стороженко. Молекулярные и ионные гидриды металлов как источники во- дорода для энергетических установок. // Сбор- ник тезисов второго Международного симпо- зиума «Безопасность и экономика водородного транс-порта» (IFSSEHT-2003) //Альтернатив- ная энергетика и экология. 2003, спец. выпуск, с.30-31. 11. В.И. Михеева. Гидриды переходных металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1960, 198с. 12. М.М. Антонова. Свойства гидридов металлов. Киев: "Наукова думка", 1975, 128с. 13. Б.А. Колачев, А.А. Ильин, В.А. Лавренко, Ю.В. Левинский. Гидридные системы: Спра- вочник. М.: "Металлургия", 1992, 350с. 14. E. David. An overview of advanced materials for hydrogen storage // Journal of Materials Professing Technology. 2005, v.162, pp. 169-177. 15. Z. Dehoche, M. Savard, F. Laurencelle, J. Goyette. Ti-V-Mn based alloys for hydrogen compression system // Journal of Alloys and Compounds. 2005, v.400, №1-2, p.276-280. 16. H. Taizhong, W.Zhu, X.Baojia, H.Tiesheng. Influ- ence of V content on structure and hydrogen des- orbtion perfornance of TiCrV-based hydrogen stor- age alloys // Materials Chemistry and Physics. 2005, v.93, p. 544-547 17. Y.L. Du, G. Chen, G.L. Chen. Optimization of Zr- based hydrogen storage alloys for nickel-hydride batteries // Intermetallics. 2005, v.13, №3-4, p.399- 402. 18. M. Au. Hydrogen storage properties of magnesium based nanostructured composite materials // Mate- rials Science and Engineering B., 2005, v.117, №1, p.37-44. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ ВОДНЮ:АНАЛІЗ ТЕНДЕНЦІЙ РОЗВИТКУ НА ОСНОВІ ДАНИХ ПРО ІНФОРМАЦІЙНІ ПОТОКИ В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелєв, Ю.П. Куріло, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов Коротко розглянуто стан робот в світі по використанню водню як екологічно чистого джерела енергії для транспорту і енергетики в цілому. Наведено основні методи отримання і зберігання водню, а також вимоги до них. Особливу увагу відведено аналізу перспектив металогідридного методу зберігання водню. На основі розгляду інформаційних потоків відмічено найбільш перспективні сплави – накопичувачі водню та проаналізовано тенденції розвитку цих матеріалів в різних країнах. HYDROGEN STORAGE MATERIALS: ANALYSIS OF TRENDS IN THE PROGRESS BASED ON THE DATA RETRIEVED FROM INFORMATION FLOWS ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 152 http://www.ener-getics.com/ http://www.ener-getics.com/ http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/2004/04_07/HYDRO.HTM http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/2004/04_07/HYDRO.HTM V.M. Azhazha, M.A. Tikhonovsky, A.G. Shepelev, Yu.P. Kurilo, T.A. Ponomarenko, D.V. Vinogradov A brief consideration is given to the world state of the art of using hydrogen as an ecologically clean energy source for transport and power engineering on the whole. Basic methods are presented together with the require- ments imposed on the methods. Special attention is paid to the analysis of prospect for the metal-hydride method of hydrogen storage. On the basis of the information flows considered, most promising alloys as hydrogen accumula- tors are indicated; trends in the development of these materials in different countries are analyzed. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.145 – 152 153 Получение водорода 1.Н.Н. Пономарев-Степной, А.Я. Столяревский. Атомно-водородная энергетика — пути развития, «Энергия», 2004, № 1, с. 3-9. 2.В.А. Легасов, Н.Н. Пономарев-Степной, А.Н Проценко. и др. Атомно-водородная энергетика (прогноз развития) // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика. 1976, в. 1, с. 5-34.

Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках

Institution

Ähnliche Einträge