Хранение водорода — различные способы, включая гидридный аккумулятор

Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. ниже для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение в легковых автомобилях до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.

Гидридный аккумулятор

Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.

Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 1 приведены изотермические диаграммы систем «металл — водород» для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при температуре — 20 °C устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до — 20 °C.

Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.

Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 2, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа — двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель с топливом теплоты Q часть Q_e используется на эффективную мощность, Q_v — на привод вентилятора, a Q_z теряется и отводится отработавшими газами и системой охлаждения. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Q_e, теплота Q_a используется для нагревания гидрида, теплота Q_z теряется.

Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится теплота, когда он «заряжается» теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гидридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.

Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.

Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °C. До такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg — подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 3.

Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидридный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидридные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.

Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.

Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 3, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (с чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.

Хранение водорода — различные способы, включая гидридный аккумулятор

Гидридный аккумулятор

Читайте также

Сноски

Комментарии