Хранение водорода

Как с точки зрения глобального потепления, так и с точки зрения неизбежного истощения запасов нефти на Земле стало крайне желательно разработать альтернативный источник энергии для автомобилей. С момента разработки топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM), который работает на водороде и кислороде (воздухе) и производит только воду, водород обычно считается наиболее многообещающим подходом. Однако, хотя разработка технологии топливных элементов, по-видимому, плавно продвигается к возможной коммерческой эксплуатации, жизнеспособный метод хранения водорода на борту транспортного средства все еще не разработан. 

С нынешней точки зрения, наиболее важными из этих целей являются следующие: система топливных баков при заправке должна содержать 6% гравиметрической плотности водорода; и система должна быть способна перезаряжаться на заправочной станции менее чем за 5 минут. Кроме того, водород должен быть доступен на входе в топливный элемент под давлением в несколько бар без необходимости нагрева накопителя до температуры более 50 °С. Если пойти по этому пути, можно также рассмотреть возможность использования химических гидридов, которые будут выделять водород при добавлении воды, но здесь продукт должен быть отправлен обратно на завод для переработки.

Жидкий водород можно хранить на борту транспортного средства, как это было продемонстрировано компанией BMW, выпустившей ограниченную серию автомобилей, работающих на таком топливе. В этом случае большая часть водорода подается в обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), а часть поступает в топливный элемент, который обеспечивает электроэнергию для кондиционирования воздуха и т. д. Этот подход дает гравиметрическую плотность хранения 100% H 2. Однако, если вы включите массу бака, это уменьшится примерно до 10% гравиметрического H 2.  [1, c. 235]

Второй подход заключается в хранении водорода при высоком давлении. В обычном стальном водородном баллоне содержится около 1% водорода по весу. Недавние разработки армированной волокном смолы позволили достичь давления 700 бар, что соответствует примерно половине плотности жидкого водорода. Автобусы CUTE, работающие на водороде, которые недавно эксплуатировались в Лондоне, на самом деле используют обычные стальные водородные баллоны (150 бар). Однако, есть некоторые опасения, что большинство может свободно пользоваться баллонами действительно высокого давления, которые сейчас разрабатываются.

Другой возможный метод хранения — физическая сорбция молекулярного водорода на твердом теле с большой площадью поверхности; как в обычном молекулярном сите. Этот подход хорошо работает с метаном, который можно эффективно хранить на активированном угле. Фактически, простые расчеты показывают, что при температуре окружающей среды количество, хранящееся в единице объема, увеличивается с давлением водорода, но при практических давлениях будет храниться гораздо меньше, чем могло бы храниться в том же объеме газа при том же давлении газа. С другой стороны, если молекула водорода расщепляется на две и каждый образующийся атом водорода хемосорбируется. 

Используя спектрометр высокого разрешения TOSCA в ISIS в (который измеряет процессы потери энергии нейтронами вплоть до конечной энергии 3,5 мэВ), мы можем измерить сечение потери энергии нейтронами, связанное с возбуждающими пара-молекулами ( l = 0 ) в орто-состояния ( l = 1), что для свободных молекул привело бы к потере энергии нейтрона в 14,7  мэВ. Однако измерения показывают сложную форму пика, предполагающую наличие одной или нескольких несферических ям потенциальной энергии в месте захвата. Путем измерения этого спектра в зависимости от степени покрытия водородом был сделан вывод о наличии по крайней мере двух разных участков поверхности. Интересно отметить, что уменьшенные пики энергии участка канавки означают небольшое увеличение расстояния H и соответствующее увеличение момента инерции. Это сразу предполагает, что можно создавать поверхности, которые увеличивают силу взаимодействия, чтобы увеличить расстояние H на гораздо большую величину. Такое взаимодействие может также привести к уменьшению энергии нулевой точки для частоты колебаний , что может привести к значительному увеличению энергии захвата [2, c. 895].

Поиск материала, способного накапливать водород в количествах, необходимых для того, чтобы сделать автомобиль на водородных топливных элементах реальным предложением, стал главной целью исследования материалов. Независимо от того, найдено ли решение среди легких гидридов или в пористом хранилище, хранящемся при температуре 80 К, проблемы поддержания материала хранения в активном состоянии будут иметь большое значение при разработке удовлетворительно герметичной оболочки.