Коллектив лаборатории «Электрохимическая и водородная энергетика» ДГТУ во главе с ведущим научным сотрудником лаборатории, доцентом кафедры «Кибербезопасность информационных систем» ДГТУ, к.т.н. Натальей Язвинской предложил уникальный электрохимический способ накопления водорода в металлокерамических матрицах электродов. Внедрение нового метода позволит решить одну из ключевых технических проблем, препятствующих активному развитию водородной энергетики, – безопасное хранение водорода в твердых средах, обеспечивающих водородному транспорту конкурентоспособность по показателю энергоемкости топливных баков.
В ходе проведенных исследований ученые ДГТУ доказали, что водород в больших количествах накапливается в металлокерамических и ламельных электродах щелочных батарей (на Западе ламельные электроды называют карманными) в процессе их эксплуатации. Проведенные впоследствии эксперименты показали, что возможно создание безопасных накопителей водорода с удельной емкостью, в четыре раза превышающей емкость, установленную министерством энергетики США как минимально необходимую для автомобилей, использующих водородное топливо (массовая емкость 5,5 масс. % и объемная емкость 40 kg/m3 – при таких показателях система хранения водорода по энергоемкости сравнима с топливным баком, содержащим бензин).
– Уникальность нашего исследования в следующем: мы в четыре раза превысили лучшие показатели удельной емкости накопления водорода твердыми веществами, полученные кем-либо в мире, а кинетические показатели, установленные министерством энергетики США для автомобилей, превысили в 20 000 раз. Чтобы современный двигатель работал стабильно и безопасно, водород должен выделяться из твердых сред с удельной скоростью не меньше 5,714*10-5 масс.% в секунду. Для разработанного нами способа хранения водорода термодинамические требования вообще не имеют никакого значения. При нашем способе выделение водорода из твердых веществ может происходить при любой температуре бака, в то время как во всех существующих методах для выделения водорода надо нагревать бак, хранящий водород в твердых веществах, а это требует траты дополнительной энергии из того же бака, – рассказала Наталья Язвинская.
По словам Натальи Язвинской, сегодня в мире применяются различные методы аккумуляции и хранения водорода для его использования в автомобильном и железнодорожном транспорте. Водород может накапливаться внутри металлов (такие вещества называются металлогидриды) – в этом варианте в топливных баках вместо бензина используется порошок металлогидрида. Можно удерживать водород в углеродных материалах: порошке графита, саже, наноструктурном углероде.
Ученые ДГТУ использовали электрохимический метод накопления водорода в металлокерамических матрицах электродов (для спеченных электродов в батареях KSL-15) и в углеродных материалах (графит), в батареях KPL-14 с ламельными электродами: аккумуляторы исследовались на предмет количества накопленного водорода в зависимости от срока эксплуатации. Кроме того, водород накапливали в электродах путем непрерывного заряда аккумуляторов в течение года, т. е. использовали аккумулятор как электролизер для разложения электролита на водород и кислород.
В качестве оборудования применялись специальные термокамеры для накопления водорода в твердых веществах, представляющие собой герметичный баллон, способный выдержать большое давление водорода, или различные электролизеры.
– Сейчас многие ученые говорят о развитии водородной энергетики. Водород можно использовать в качестве топлива вместо углеводородов, таких как бензин и дизельное топливо. Есть два основных преимущества водорода над углеводородами. Во-первых, это абсолютно экологически чистое топливо – при его сгорании выделяется водяной пар. Во-вторых, водород значительно превосходит бензин и другие углеводороды по энергоемкости, – отмечает Наталья Язвинская.
По словам Язвинской, водородная энергетика до сих пор не может широко применяться по причине отсутствия подходящих устройств для хранения водорода, которые могли бы конкурировать с топливными баками автомобилей. Чтобы газовые баллоны, содержащие метан или пропан, могли конкурировать с баками автомобилей, содержащими бензин, их достаточно накачать в баллоны до давления 30–50 атмосфер, так как эти газы хорошо сжимаются. Водород же сжимается очень плохо – его необходимо накачать в баллон с давлением 800–1 000 атмосфер. Такое давление не может выдержать в течение длительного срока ни один газовый баллон, сделанный из любого металла, любой конструкции. Кроме того, такие баллоны крайне взрывоопасны.
Исследования проводятся в рамках реализации программы развития ДГТУ Приоритет 2030 и Межрегионального научно-образовательного центра Юга России (технологический проект «Создание электрических транспортно-технологических машин в АПК и дорожно-строительном комплексе»).
С полным текстом исследования Research of Nanomaterials as Electrodes for Electrochemical Energy Storage Molecules (2022, 27, 837) можно ознакомиться по ссылке.