Мониторинг новостей энергетики

Aenert. Research Laboratory news
Водород – это распространенный материал, составляющий около 75 процентов массы Вселенной. Это также элемент, который, безусловно, однажды будет широко использоваться для приведения в движение транспортных средств. Для достижения этой цели ключевое значение имеет улучшение методов хранения, поскольку эффективное хранение этого материала является сложной задачей и должно соответствовать определенным параметрам, чтобы соответствовать нормам безопасности. Водород имеет высокую энергию на массу, но низкую энергию на единицу объема из-за низкой температуры окружающей среды. Его можно хранить физически в виде газа или жидкости. Для хранения в виде газа требуются резервуары высокого давления. С другой стороны, если он хранится в жидком виде, ему необходимы криогенные температуры, поскольку температура кипения водорода составляет -252,8°C. Его также можно хранить на поверхности твердых тел или внутри твердых тел. Все доступные варианты хранения имеют одну общую черту: им нужны большие резервуары для хранения. Это не такая уж большая проблема, если речь идет о стационарных приложениях. Однако, когда дело доходит до мобильности на топливных элементах, обеспечить запас хода в 200-300 километров при обеспечении безопасной и простой дозаправки становится сложнее.

Недавно ( 2021 г. ) ученые из Фраунгофера разработали топливо на основе водорода, подходящее для небольших транспортных средств. Топливо основано на твердом гидриде магния и называется POWERPASTE. POWERPASTE был разработан таким образом, чтобы он мог хранить водород в химической форме при комнатной температуре и атмосферном давлении, а затем высвобождать его по требованию. Кроме того, ученые позаботились о том, чтобы POWERPASTE начал разлагаться только при температуре около 250°C, а это означает, что он не самовоспламеняется, даже если электросамокат находится на солнце в течение нескольких часов. При этом заправка предельно проста: не нужны заправочные станции, автомобилистам достаточно заменить пустой картридж на новый, а затем наполнить бак водопроводной водой либо дома, либо в пути.

Исходным материалом для POWERPASTE был магний, широко распространенный элемент и легкодоступное сырье. Порошок магния смешивали с водородом с образованием гидрида магния в процессе, проводимом при 350°C и давлении, в пять-шесть раз превышающем атмосферное. Затем ученые добавили сложный эфир и соль металла, чтобы получить готовый продукт. Установленная в автомобиле, POWERPASTE высвобождалась из картриджа с помощью плунжера. При добавлении воды из бортового бака в результате последующей реакции вырабатывался газообразный водород в количестве, соответствующем фактическим потребностям топливного элемента. Еще одной полезной особенностью было то, что только половина водорода поступала из POWERPASTE, а остальная часть производилась за счет добавленной воды, что увеличивало плотность накопления энергии в продукте.

Ученые уже давно пытаются усовершенствовать водородные двигатели. В 2019 годубыл разработан легкий и гибкий топливный элемент на основе бумажной подложки и алюминиевой фольги, который использовался в качестве источника водорода in-situ путем реакции с раствором электролита во время работы. Благодаря ингибированию транспорта гидроксила пористой целлюлозной сеткой можно было контролировать сильную реакцию коррозии Al, несмотря на использование сильнощелочного электролита, так что топливный элемент мог разряжаться более 5 часов при напряжении 0,83 В. а энергоэффективность достигла 72%. Гибкость топливных элементов также была достаточно хорошей при различных углах изгиба. Учитывая умеренную выходную мощность, этот гибкий водородный топливный элемент на бумажной основе подходил для питания различных маломощных и гибких устройств, таких как носимая электроника. Однако более высокая мощность может быть получена за счет подходящего расположения топливных элементов.

Image: Schematic diagrams of the flexible hydrogen PBFC: (a) Working principle; (b) Exploded view of the cell structure



Source: Yifei Wang, Holly Kwok, Yingguang Zhang, Wending Pan/ Flexible hydrogen fuel cell fabricated on paper with embedded aluminium foil/ E3S Web of Conferences 83:01004, January 2019/ DOI:10.1051/e3sconf/20198301004/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)


В 2022 году группа ученых подготовила мембраны Nafion для синтеза водорода из метанола, которые состояли из двух разных нанокомпозитов MF. -4SC и был модифицирован полианилином (ПАНИ) методом литья в двух различных процедурах инфильтрации полианилина. Условия эксплуатации были улучшены по плотности тока, стабильности и концентрации метанола. Были проанализированы характеристики ячейки по различным параметрам, таким как концентрация метанола, вода и напряжение ячейки. Энергию, необходимую для электролиза чистой воды, оценивали при разных температурах для разных мембран. Было показано, что электролизеры PEM обеспечивают лучшее производство водорода - 30 мл/мин, работая при 160 мА/см ² . Было обнаружено, что электролиз метанола и воды требует меньше электроэнергии, чем электролиз чистой воды. Расход электроэнергии при электролизе метанола составил 2,34 кВт·ч/кг водорода. Это было в несколько раз меньше электрической энергии, необходимой для получения 1 кг водорода электролизом воды.


Image: SEM images of the surface of the MF-4SC membrane (a) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (b). SEM images of the cross section of an MF-4SC membrane (c) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (d)



Source: Carlos Sanchez, Francisco J. Espinos, Arturo Barjola, Jorge Escorihuela/ Hydrogen Production from Methanol–Water Solution and Pure Water Electrolysis Using Nanocomposite Perfluorinated Sulfocationic Membranes Modified by Polyaniline/ Polymers 14(21):4500, October 2022/ DOI:10.3390/polym14214500/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Силовая паста является выгодным изобретением по нескольким причинам: во-первых, она имеет высокую плотность хранения энергии, что существенно выше, чем у резервуара высокого давления 700 бар. По сравнению с батареями, плотность хранения энергии в нем в десять раз выше. Высокая плотность хранения энергии также делает его подходящим топливом для автомобилей, транспортных средств и расширителей запаса хода электромобилей с батарейным питанием. POWERPASTE также может значительно продлить время полета больших дронов, что сделает его особенно полезным для геодезических работ, таких как проверка лесного хозяйства или линий электропередач. Помимо обеспечения высокого рабочего диапазона, паста не требует дорогостоящей инфраструктуры. Если нет водородных станций, заправочные станции могли бы просто продавать его в картриджах или канистрах, поскольку паста жидкая и перекачивается. Сначала такие заправочные станции могли бы поставлять меньшие количества POWERPASTE, например, содержащихся в металлической бочке, а затем расширяться в соответствии со спросом. Это потребует капитальных затрат, которые значительно ниже, чем при традиционном хранении водорода. Пасту также дешево транспортировать, поскольку не используются ни дорогостоящие резервуары высокого давления, ни чрезвычайно холодный жидкий водород.

Fraunhofer IFAM в настоящее время строит завод по производству POWERPASTE на базе Фраунгоферовского проектного центра хранения энергии и систем ZESS. Этот завод планируется запустить в 2021 году и сможет производить до четырех тонн его в год – не только для электросамокатов.

Редакционный совет