Kaip metalo hidridų saugyklos leidžia praktiškai naudoti vandenilį degalų elementų automobiliuose

Metalo hidridų sistemos įveikia kritinius degalų elementų automobilių diegimo barjerus dėl atvirkštinių vandenilio absorbcijos/desorbcijos ciklų automobilių eksploatacijos slėgiuose (50–100 bar). Tai leidžia išleisti vandenilį pagal poreikį, pvz., spartėjant, be reikalingos sudėtingos aukšto slėgio degalavimo infrastruktūros.

Atvirkštinė absorbcija/desorbcija automobilių sąlygomis

Lydiniai, tokie kaip magnio hidridas (MgH₂), išskleidžia vandenilį per kontroliuojamą temperatūros reguliavimą – pašalinant poreikį naudoti 700 bar slėgio suspausto dujų baklus. Veikiant vidutiniais slėgiais sumažėja transporto priemonės svoris ir sistemos sudėtingumas. Svarbiausia, kad kietosios būsenos saugykla savaime mažina nuotėkio riziką, taip remiant griežtus susidūrimų saugos standartus, reikalingus masinei rinkai.

Termodinaminė suderinamybė su PEMFC veikimo temperatūromis (60–80 °C)

Magnio pagrindu paremti hidridai išsklaido vandenilį gana veiksmingai, kai temperatūra pasiekia nuo 60 iki 80 laipsnių Celsijaus, t. y. būtent tokia temperatūra reikalinga PEMFC veikti tinkamai. Kadangi šie medžiagų veikia tokiose patogiose temperatūrose, jau nebėra reikalo naudoti atskirų aušinimo sistemų. Tai sumažina bendrą sistemos sudėtingumą maždaug 40 procentų lygyje palyginti su šaltosios (kriogeninės) saugyklos parinktimis. Katalizuotos šių medžiagų versijos netgi gali išsklaidyti visą saugomą vandenilį dar nepasiekus 100 laipsnių Celsijaus. Tai iš tikrųjų atitinka JAV energijos departamento nustatytus naudojimui transporto priemonėse skirtų vandenilio saugojimo sistemų našumo tikslus.

Realaus pasaulio patvirtinimas: MgH₂ dviejų talpyklų sistema ir paleidimas esant −30 °C žemai temperatūrai

Patvirtinta dviejų talpyklų architektūra – aukšto slėgio dujų modulių, skirtų greitam papildymui, su metalo hidridų vienetais, skirtais nuolatiniam tiekimui, poravimas – parodė patikimą veikimą −30 °C temperatūroje. Prototipas pasiekė akimirkinį šalto paleidimą ir išlaikė 95 % vandenilio tiekimo efektyvumą atliekant EPA važiavimo ciklo modeliavimą, taip patvirtinant jo atsparumą realiomis sąlygomis kilusios šiluminės ir dinaminės apkrovos poveikiui.

Integruota šilumos valdymo sistema: metalo hidridų desorbcijos su degalų elementų atliekamosios šilumos sujungimas

Šiluminio konflikto sprendimas: endoterminis H₂ išsiskyrimas, kuriam reikalinga PEMFC išmetamųjų dujų šiluma (~80 °C)

Kai vandenilis išsiskiria iš metalų hidridų, jam reikia šilumos ir sunaudojama gana daug energijos, todėl tai sudėtinga automobiliams, kuriems reikia būti kuro efektyviems. Geros naujienos? Inžinieriai išsprendė šią problemą sujungdami šį procesą su PEMFC šilumos nuostoliais, kurių temperatūra paprastai siekia apie 80 laipsnių Celsijaus. Šis temperatūros diapazonas atitinka optimalią daugumos hidridų sistemų veikimo temperatūrą. Vietoj to, kad visa ši šiluma būtų prarandama, ji naudojama naudingai. Šis požiūris sumažina papildomų šildymo komponentų skaičių ir sutaupo apie 15–20 procentų energijos nuostolių lyginant su įprastomis elektrinio šildymo metodikomis. Gauta sistema nuolat ir reaktyviai tiekia vandenilį, tuo pačiu užtikrindama, kad degalų elementai veiktų maksimaliu našumu.

Priešsrovės šilumos mainytuvo konstrukcija, padidinanti sistemos lygio šiluminį naudingumą 30–40 procentų

Priešsrovės šilumos mainytuvai maksimaliai padidina šiluminį perdavimą tarp PEMFC išmetamųjų dujų ir metalo hidridų saugyklos vienetų, palaikydami stačiuosius ir vienodus temperatūros gradientus visame sąlyčio paviršiuje. Laboratorijoje patvirtinti projektai užtikrina:

• 40 % didesnę šilumos atgavimo naudingumo naudingumą nei lygiagrečios srovės konfigūracijos
• 25 % mažesnį sistemos svorį dėl kompaktiškos, integruotos supakuotės
• ±2 °C tikslumą desorbcijos temperatūros valdyme

Šie šilumos mainytuvai panaudoja 95 % galimos atliekamosios šilumos, efektyviai padvigubindami naudingą vandenilio tiekimo pajėgumą per laikiną veikimą – taip padidinant važiavimo nuotolį, o tuo pačiu išsaugant greito papildymo galimybę.

Įveikiant tankio apribojimus: Metalo hidridų sistemų masės ir tūrio iššūkiai

Sisteminis plyšys: nuo MgH₂ 7,6 svorio % teorinės iki < 4,5 svorio % praktinės talpos

MgH₂ teoriškai gali laikyti apie 7,6 masės procento vandenilį, tačiau realiuose automobiliuose pasiekiamas kiekis yra mažesnis nei 4,5 masės procento dėl visų papildomų komponentų, reikalingų praktiniam naudojimui. Tokios detalės kaip šilumos mainytuvai, slėgio indai, izoliaciniai sluoksniai ir įvairūs saugos mechanizmai sumažina šią talpą. Problema dar labiau pasunkėja, kai įvertinama, kaip šie medžiagų veikia praktikoje. Normaliomis eksploatacijos temperatūromis jie tiesiog nepakankamai greitai išskiria vandenilį, o taip pat pastebima nepatogi absorbcijos ir išsiskyrimo uždelsta reakcija, vadinama histereze. Visus šiuos veiksnius sujungus, efektyvi energijos kaupimo talpa sumažėja daugiau kaip 40 % lyginant su laboratoriniais tyrimais gautais rezultatais. Šis skirtumas tarp teorinių ir realių rezultatų išlieka viena iš didžiausių kliūčių praktiniam įdiegimui.

Kitos kartos sprendimai: NaAlH₄–MgH₂ kompozitai, pasiekiantys 5,1 masės procento naudingosios talpos 100 °C / 10 bar sąlygomis

Kai natrio aliuminio hidridas (NaAlH₄) sumaišomas su nanostruktūrizuotu MgH₂, pasiekiamas apie 5,1 masės procento atvirkštinis vandenilio kaupimas praktinėmis eksploatacijos sąlygomis – būtent 100 °C temperatūroje ir 10 bar slėgyje. Tai sudaro maždaug 13 % didesnį rodiklį palyginti su standartinėmis MgH₂ sistemomis. Kas daro šią kompozitinę medžiagą išskilusią? Na, ji įtraukia katalitinius pagerinimus, kurie pagreitina reakcijų greitį, turi termodinamines savybes, gerai derančias su PEMFC elementų atliekamaisiais šilumos kiekiais, ir išlaiko struktūrinį vientisumą per tūkstančius įkrovos ir iškrovos ciklų. Be to, modulinė konstrukcija padidina tūrinę efektyvumą daugiau nei 15 %. Šie pagerinimai žymi tikrąjį progresą siekiant JAV Energetikos departamento ambicingų 2025 m. tikslų, susijusių su degalų elementų sistemomis kasdienėse keleivinėse automobiliuose.

Dinaminiam važiavimui skatinant: kinetinis pagerinimas ir modulinės metalų hidridų talpyklų architektūros

Ni modifikuotas nanostruktūrinis MgH₂: išsiskyrimo laikas sumažintas nuo daugiau nei 30 minučių iki mažiau nei 90 sekundžių (DOE 2023 m. etaloninis rodiklis)

Metalo hidridai ilgą laiką nebuvo tikrai tinkami naudoti transporto priemonėse, nes iš jų išsisklaidyti įrašytas vandenilis užtrukdavo daugiau nei 30 minučių. Tačiau naujausi pralūžiai radikaliai pakeitė padėtį. Nikelio priemaiša papildyto nanostruktūrinio magnio hidrido dabar galima išsklaidyti visą jo turimą vandenilį per mažiau nei 90 sekundžių, kas atitinka JAV Energetikos departamento 2023 m. tikslą, nustatytą bortinėms vandenilio saugyklos sistemoms. Kas leidžia tai pasiekti? Nikelis veikia kaip katalizatorius, kuris sumažina tas nepatogias energijos barjeras, reikalingus reakcijoms vykdyti. Tuo pat metu nanostruktūra sukuria didesnį paviršiaus plotą reakcijoms ir palengvina vandenilio molekulių judėjimą per medžiagą. Su modulinėmis talpyklų konstrukcijomis šie pagerinimai leidžia žymiai padidinti vandenilio srauto našumą. Tai reiškia, kad transporto priemonės gali greitai reaguoti į pagreitinimą ar stabdymą, kas ypač svarbu sunkiosioms krovininėms automobilėms ir autobusams, kuriems reikia nuolatinės galios išvesties visą maršrutą be staigių našumo nuosmukio.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Koks yra pagrindinis metalų hidridų sistemų naudojimo privalumas degalų elementų automobiliuose privalumas?

Pagrindinis metalų hidridų sistemų privalumas yra jų gebėjimas saugoti vandenilį vidutinio slėgio sąlygomis, todėl sumažėja sudėtingos aukšto slėgio infrastruktūros poreikis ir mažėja nutekėjimo rizika.

Kaip metalų hidridų sistemos padidina vandenilio saugojimo efektyvumą?

Metalų hidridų sistemos padidina efektyvumą naudodamos atvirkštinius vandenilio absorbcijos/desorbcijos ciklus, optimizuodamos šiluminį valdymą naudodamos PEMFC išmetamųjų dujų šilumą ir taikydamos naujoves, pvz., priešsrovės šilumos mainytuvus.

Su kokiais iššūkiais susiduria metalų hidridų sistemos praktinėse aplikacijose?

Iššūkiai apima teorinės energijos tankio pasiekimą realiomis sąlygomis, vandenilio išsiskyrimo histerezės įveikimą ir reakcijos greičio padidinimą, kad būtų pasiekti JAV Energetikos departamento (DOE) tikslai.

Kokios yra naujos kartos metalų hidridų saugojimo sistemų sprendimai?

Kitos kartos sprendimai apima kompozitinių medžiagų, tokių kaip NaAlH₄–MgH₂, naudojimą, kurie naudoja katalizinį pagerinimą ir modulinį projektavimą, kad būtų padidinta naudingumo ir saugojimo talpos efektyvumas.