An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory
The use of hydrides of intermetallic compounds (IMC) to implement the working processes of thermo sorption compressors, heat pumps, storage systems, cleaning, and programmable supply of hydrogen is due to a number of unique properties of these hydrogen sorbents. These include, first of all, the fact...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/179047 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Energy Technologies & Resource Saving |
Репозитарії
Energy Technologies & Resource Saving| id |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-179047 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Energy Technologies & Resource Saving |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| topic |
hydrogen metal hydrides intermetallic compounds phase diagrams lattice gas UDC 662.769.21 544-971 54-19 водень металогідриди інтерметалеві сполуки фазові діаграми решітковий газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 водород металлогидриды интерметаллические соединения фазовые диаграммы решеточный газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 |
| spellingShingle |
hydrogen metal hydrides intermetallic compounds phase diagrams lattice gas UDC 662.769.21 544-971 54-19 водень металогідриди інтерметалеві сполуки фазові діаграми решітковий газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 водород металлогидриды интерметаллические соединения фазовые диаграммы решеточный газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 Solovei, Viktor V. Avramenko, Andrii M. Umerenkova, Kseniia R. An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| topic_facet |
hydrogen metal hydrides intermetallic compounds phase diagrams lattice gas UDC 662.769.21 544-971 54-19 водень металогідриди інтерметалеві сполуки фазові діаграми решітковий газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 водород металлогидриды интерметаллические соединения фазовые диаграммы решеточный газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 |
| format |
Article |
| author |
Solovei, Viktor V. Avramenko, Andrii M. Umerenkova, Kseniia R. |
| author_facet |
Solovei, Viktor V. Avramenko, Andrii M. Umerenkova, Kseniia R. |
| author_sort |
Solovei, Viktor V. |
| title |
An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| title_short |
An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| title_full |
An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| title_fullStr |
An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| title_full_unstemmed |
An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory |
| title_sort |
analysis of thermodynamic characteristics of metal-hydride systems for hydrogen storage, using a modified scheme of the perturbation theory |
| title_alt |
Анализ термодинамических характеристик металлогидридных систем для хранения водорода с использованием модифицированной схемы теории возмущений Аналіз термодинамічних характеристик металогідридних систем для зберігання водню з використанням модифікованої схеми теорії збурень |
| description |
The use of hydrides of intermetallic compounds (IMC) to implement the working processes of thermo sorption compressors, heat pumps, storage systems, cleaning, and programmable supply of hydrogen is due to a number of unique properties of these hydrogen sorbents. These include, first of all, the fact that the saturation of IMCs with a large sorption capacity occurs under relatively "mild" thermodynamic conditions, as well as the selectivity of sorption processes and the presence of the effect of thermodesorptional activation of atoms and molecules of hydrogen isotopes. The work is devoted to the description of phase equilibria in IMC hydrides. The proposed approach to the problem of calculating phase equilibria in metal hydrides consists in determining the properties of the lattice gas of H atoms and the H2 molecular phase (which is in equilibrium with it) within the framework of a single method, the modified perturbation theory. The thermodynamic description of the hydrogen subsystem in the region of disordered α-, β-phases is carried out on the basis of the model of the non-ideal (interacting) lattice gas of hydrogen atoms. In this case, both the direct interaction between hydrogen atoms and the indirect "deformation" contributions to the potential energy due to the expansion of the lattice during hydrogen dissolution are taken into account. Simulation of phase transitions in IMC-hydrogen systems based on the modified perturbation theory scheme gives a correct description of the main features of phase diagrams in a wide range of hydrogen pressures. From the condition of the equality of the chemical potentials of the H-subsystem of the hydride and H2-phase (calculated on the H atom), equations are obtained, relating the pressure of the gaseous H2 phase to the hydride parameters c and T (phase diagrams). The proposed computational procedure does not use adjustable parameters or empirical correlations. It relies on the atomic characteristics of the hydrogen subsystem and metal matrix, which have an unambiguous physical meaning. The object of this research is the LaNi5 intermetallic hydride. Of particular interest is the position of the critical point of the β→α-transition in the LaNi5-hydrogen system, for which there are no experimentally obtained parameter values. The paper presents the calculated values of the β→α-transition critical parameters Tc=445 K, pc=87 atm. The calculated data on the thermodynamic parameters of the α→β-transition (enthalpy, entropy, and pressure on the isotherm plateau) make it possible to describe the solubility of hydrogen in LaNi5 at pressures up to 500 atm and are in good agreement with the available experimental data in the literature. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2019 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/179047 |
| work_keys_str_mv |
AT soloveiviktorv ananalysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory AT avramenkoandriim ananalysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory AT umerenkovakseniiar ananalysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory AT soloveiviktorv analiztermodinamičeskihharakteristikmetallogidridnyhsistemdlâhraneniâvodorodasispolʹzovaniemmodificirovannojshemyteoriivozmuŝenij AT avramenkoandriim analiztermodinamičeskihharakteristikmetallogidridnyhsistemdlâhraneniâvodorodasispolʹzovaniemmodificirovannojshemyteoriivozmuŝenij AT umerenkovakseniiar analiztermodinamičeskihharakteristikmetallogidridnyhsistemdlâhraneniâvodorodasispolʹzovaniemmodificirovannojshemyteoriivozmuŝenij AT soloveiviktorv analíztermodinamíčnihharakteristikmetalogídridnihsistemdlâzberígannâvodnûzvikoristannâmmodifíkovanoíshemiteoríízburenʹ AT avramenkoandriim analíztermodinamíčnihharakteristikmetalogídridnihsistemdlâzberígannâvodnûzvikoristannâmmodifíkovanoíshemiteoríízburenʹ AT umerenkovakseniiar analíztermodinamíčnihharakteristikmetalogídridnihsistemdlâzberígannâvodnûzvikoristannâmmodifíkovanoíshemiteoríízburenʹ AT soloveiviktorv analysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory AT avramenkoandriim analysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory AT umerenkovakseniiar analysisofthermodynamiccharacteristicsofmetalhydridesystemsforhydrogenstorageusingamodifiedschemeoftheperturbationtheory |
| first_indexed |
2024-09-01T17:37:21Z |
| last_indexed |
2024-09-01T17:37:21Z |
| _version_ |
1809016151931355136 |
| spelling |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-1790472019-09-27T12:23:45Z An Analysis of Thermodynamic Characteristics of Metal-Hydride Systems for Hydrogen Storage, Using a Modified Scheme of the Perturbation Theory Анализ термодинамических характеристик металлогидридных систем для хранения водорода с использованием модифицированной схемы теории возмущений Аналіз термодинамічних характеристик металогідридних систем для зберігання водню з використанням модифікованої схеми теорії збурень Solovei, Viktor V. Avramenko, Andrii M. Umerenkova, Kseniia R. hydrogen metal hydrides intermetallic compounds phase diagrams lattice gas UDC 662.769.21 544-971 54-19 водень металогідриди інтерметалеві сполуки фазові діаграми решітковий газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 водород металлогидриды интерметаллические соединения фазовые диаграммы решеточный газ УДК 662.769.21 544-971 54-19 The use of hydrides of intermetallic compounds (IMC) to implement the working processes of thermo sorption compressors, heat pumps, storage systems, cleaning, and programmable supply of hydrogen is due to a number of unique properties of these hydrogen sorbents. These include, first of all, the fact that the saturation of IMCs with a large sorption capacity occurs under relatively "mild" thermodynamic conditions, as well as the selectivity of sorption processes and the presence of the effect of thermodesorptional activation of atoms and molecules of hydrogen isotopes. The work is devoted to the description of phase equilibria in IMC hydrides. The proposed approach to the problem of calculating phase equilibria in metal hydrides consists in determining the properties of the lattice gas of H atoms and the H2 molecular phase (which is in equilibrium with it) within the framework of a single method, the modified perturbation theory. The thermodynamic description of the hydrogen subsystem in the region of disordered α-, β-phases is carried out on the basis of the model of the non-ideal (interacting) lattice gas of hydrogen atoms. In this case, both the direct interaction between hydrogen atoms and the indirect "deformation" contributions to the potential energy due to the expansion of the lattice during hydrogen dissolution are taken into account. Simulation of phase transitions in IMC-hydrogen systems based on the modified perturbation theory scheme gives a correct description of the main features of phase diagrams in a wide range of hydrogen pressures. From the condition of the equality of the chemical potentials of the H-subsystem of the hydride and H2-phase (calculated on the H atom), equations are obtained, relating the pressure of the gaseous H2 phase to the hydride parameters c and T (phase diagrams). The proposed computational procedure does not use adjustable parameters or empirical correlations. It relies on the atomic characteristics of the hydrogen subsystem and metal matrix, which have an unambiguous physical meaning. The object of this research is the LaNi5 intermetallic hydride. Of particular interest is the position of the critical point of the β→α-transition in the LaNi5-hydrogen system, for which there are no experimentally obtained parameter values. The paper presents the calculated values of the β→α-transition critical parameters Tc=445 K, pc=87 atm. The calculated data on the thermodynamic parameters of the α→β-transition (enthalpy, entropy, and pressure on the isotherm plateau) make it possible to describe the solubility of hydrogen in LaNi5 at pressures up to 500 atm and are in good agreement with the available experimental data in the literature. Применение гидридов интерметаллических соединений (ИМС) для реализации рабочих процессов термосорбционных компрессоров, тепловых насосов, систем хранения, очистки и программируемой подачи водорода обусловлено рядом уникальных свойств этих сорбентов водорода. К ним, прежде всего, относится то, что насыщение ИМС с большой сорбционной емкостью происходит при сравнительно «мягких» термодинамических условиях, а также избирательность сорбционных процессов и наличие эффекта термодесорбционного активирования атомов и молекул изотопов водорода. Работа посвящена описанию фазовых равновесий в гидридах ИМС. Предложенный подход к проблеме расчета фазовых равновесий в металлогидридах состоит в определении свойств решеточного газа атомов Н и равновесной с ним молекулярной фазы Н2 в рамках единого метода – модифицированной теории возмущений. Термодинамическое описание водородной подсистемы в области неупорядоченных α-, β-фаз выполнено на базе модели неидеального (взаимодействующего) решеточного газа атомов водорода. При этом учтены как прямое взаимодействие между атомами водорода, так и косвенные «деформационные» вклады в потенциальную энергию вследствие расширения решетки при растворении водорода. Моделирование фазовых переходов в системах ИМС–водород на базе модифицированной схемы теории возмущений дает правильное описание основных особенностей фазовых диаграмм в широком диапазоне давлений водорода. Из условия равенства химических потенциалов Н-подсистемы гидрида и Н2-фазы (в расчете на атом Н) получены уравнения, связывающие давление газообразной фазы Н2 с параметрами гидрида с и Т (фазовые диаграммы). В предложенной вычислительной процедуре не используются подгоночные параметры или эмпирические корреляции, и она опирается на атомные характеристики водородной подсистемы и металлической матрицы, имеющие однозначный физический смысл. В качестве объекта исследования выбран гидрид интерметаллида LaNi5. Особый интерес представляет положение критической точки β→α-перехода в системе LaNi5-водород, для которой отсутствуют экспериментально полученные значения параметров. В работе приведены расчетные значения критических параметров β→α-перехода Тс=445 K, pc=87 атм. Определенные расчетным путем данные о термодинамических параметрах α→β-перехода (энтальпия, энтропия и давление на плато изотерм) позволяют описать растворимость водорода в LaNi5 при давлениях до 500 атм и хорошо согласуются с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Застосування гідридів інтерметалічних сполук (ІМС) для реалізації робочих процесів термосорбційних компресорів, теплових насосів, систем зберігання, очищення і програмованої подачі водню обумовлено низкою унікальних властивостей цих сорбентів водню. Це, перш за все, те, що насичення воднем ІМС з великою сорбційною ємністю відбувається за порівняно «м'яких» термодинамічних умов, а також вибірковість сорбційних процесів і наявність ефекту термодесорбційного активування атомів і молекул ізотопів водню. Робота присвячена опису фазових рівноваг в гідридах ІМС. Запропонований підхід до проблеми розрахунку фазових рівноваг в металогідридах полягає у визначенні властивостей решіткового газу атомів водню і рівноважної з ним молекулярної фази в рамках єдиного методу - модифікованої теорії збурень. Термодинамічний опис водневої підсистеми в області невпорядкованих α-, β-фаз виконано на базі моделі неідеального (взаємодіючого) решіткового газу атомів водню. Водночас враховано як пряму взаємодію між атомами водню, так і непрямі «деформаційні» вклади в потенціальну енергію внаслідок розширення решітки під час розчинення водню. Моделювання фазових переходів в системах ІМС-водень на базі модифікованої схеми теорії збурень дає правильний опис основних особливостей фазових діаграм в широкому діапазоні тисків водню. За умови рівності хімічних потенціалів Н-підсистеми гідриду та Н2-фази (в розрахунку на атом Н) отримані рівняння, що зв'язують тиск газоподібної фази Н2 з параметрами гідриду с і Т (фазові діаграми). В запропонованій обчислювальній процедурі не використовуються підгінні параметри або емпіричні кореляції, і вона спирається на атомні характеристики водневої підсистеми та металевої матриці, що мають однозначне фізичне значення. Як об'єкт дослідження обрано гідрид інтерметаліду LaNi5. Особливий інтерес викликає розташування критичної точки β→α-переходу в системі LaNi5 – водень, для якої відсутні значення параметрів, отриманих експериментально. В роботі наведені розрахункові значення критичних параметрів β→α-переходу Тс=445 K, pc=87 атм. Визначені розрахунковим шляхом дані про термодинамічні параметри α→β–переходу (ентальпія, ентропія і тиск на плато ізотерм) дають можливість окреслити межі розчинності водню в LaNi5 за тисків до 500 атм та добре узгоджуються з наявними в літературі експериментальними даними. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2019-09-25 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/179047 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 22 No. 3 (2019); 44-49 Проблемы машиностроения; Том 22 № 3 (2019); 44-49 Проблеми машинобудування; Том 22 № 3 (2019); 44-49 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/179047/179165 https://journals.uran.ua/jme/article/view/179047/179166 Copyright (c) 2019 Viktor V. Solovei, Andrii M. Avramenko, Kseniia R. Umerenkova https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |