Како метални хидрид складиштење водоника ради: апсорпција, равнотежа, и ослобађање

Интерметаллични и комплексни хидриди: Структурне основе реверзибилних металаводородних веза

Хранилиште водоника у металним хидридима се дешава када водоник формира реверзибилне хемијске везе са металним атомима, углавном кроз две различите структурне врсте. Узмите интерметалне једињења, на пример, оне АБ5 легуре као што је ЛаНи5. Ови материјали стварају металне везе у којима водоник уклапа у просторе у металној мрежничкој структури. Ово омогућава прилично брзе реакције и добро функционише на просторијама. Али постоји улов: количина водоника коју могу да садрже по тежини је прилично мала, обично испод 2% по тежини. С друге стране, комплексни хидриди као што су натријум аланат или литијум борхидрид делују другачије. Користију ковалентне или анионске везе у структурама направљеним од више елемената. Иако ови могу да складиште више водоника (више од 5% по тежини), потребни су им много виши температури око 150 до 300 степени Целзијуса да би заправо ослободили складиштени водоник. Оно што чини једну врсту бољом од друге зависи од тога колико су њихове кристалне структуре стабилне након вишекратних циклуса пуњења и пуњења. Интерметални једињења имају тенденцију да задржавају своју структуру неповређену током времена, док се многи комплексни хидриди почињу разлагати након неколико циклуса, што значи да се њихова перформанса погоршава са годинама.

Површинска дисоцијација, масовна дифузија и кинетички путеви у формирањем металног хидрида

Апсорпција водоника се одвија кроз три последовавна корака који утичу на брзину:

1. Површинска дисоцијација : Молекули Х2 се расколе у атомски водоник у контакту са каталитички активним металним површинама
2. Дифузија у количини : Атомски водоник мигрира у решетку кроз празнине или границе зрна
3. Нуклеација и раст : Хидридне фазе се формирају и шире у матрици домаћина

Главни проблем кинетичких процеса се свезује на две ствари: контаминацију површинским оксидима која спречава молекуле да се правилно распадну, и споро кретање унутар самих чврстих материја. Ово је посебно тачно за магнезијумске системе где потпуна апсорпција понекад траје од 10 до 100 дугих минута. Сада то супротстави са никелским легурама које успевају да апсорбују све за мање од минуту. Истраживачи су пронашли начине да се избегну ових проблема помоћу техника као што су наноструктура материјала на микроскопском нивоу и додавање катализатора као што су титанијум или ванадијум у мешавину. Овим методама се не само да брже апсорпција за око три пута него раније, већ и да се материјал одржава стабилан кроз више циклуса без деградације.

Термодинамичка контрола: Вант Хоф анализа и понашање притиска-композиције-температуре (ПЦТ)

Еквивалентни притисак водоника регулише се Вант Хоф-овком једначином:

ln(P) = ΔH/(RT) – ΔS/R  

где П је равнотежни притисак, δH и δS су промени енталпије и ентропије формирања хидрида, R је константа гаса, и Т је апсолутна температура. ПЦТ криве преведу ову везу у параметре пројектовања који се могу применити:

Када погледамо плоско плато, видимо да две фазе постоје заједно, као метал помешан са хидридом. Ова конфигурација помаже да се одржи константан притисак приликом пуњења или пуштања материјала. Сада хистереза долази у игру и овде. Размислите о томе као разлика притиска која се дешава када се материја апсорбује у односу на када се ослободи. И то ствара неке термодинамичке проблеме који могу довести до губитака око 15 кДж на мол водоника. Инжењери који раде на легурама увек покушавају да погоде те слатке тачке за промене енталпије. За системе на бази магнезијума, они циљу око -40 кДж по молу јер тај температурни опсег ради боље са стандардима безбедности и како ови системи морају да се уклапају у веће апликације без узроковања проблема доле.

Кључне предности складиштења металног хидрида за индустријске апликације

Унутрашња сигурност и рад под притиском околине у поређењу са алтернативама под високим притиском или криогеном

Систем металног хидрида ради са притиском близу онога што налазимо у нормалном ваздуху, обично испод 10 бара. То значи да немају исти ризик од експлозије као и контејнери са 700 бара компресираног гаса. Плус, нема потребе за супер хладним температурама као што су -253 степени Целзијуса које захтева течни водоник, што штеди новац на свим тим врелим стварима. Рађење на овим редовним притисцима чини ствари много једноставнијим за инфраструктуру. Произвођачима више нису потребни ти фантастични резервоари под великим притиском, посебне цеви или скупи криогени изолациони материјали. Недавна студија објављена у часопису Journal of Energy Storage показала је да су ти системи смањили трошкове сертификације безбедности за око 40%. Такође се боље уклапају у теске просторе, што их чини идеалним за фабрике у којима је простор на подову ограничен и за друге индустријске апликације у којима је простор на премијуму.

Прецизно, реверзибилно и модулирано температуром ослобађање водоника за употребу на захтев

Ослобађање водоника из металних хидрида се дешава када се примени топлота, а овај процес пружа одличну контролу над брзинама изласка. Системи могу да прилагоде производњу од 0,1 до 5 килограма водоника на сат само мењајући температуру између око 50 и 300 степени Целзијуса. Оно што овај приступ чини тако привлачним јесте то што он поуздан достави водоник кад год је потребно без ослањања на механичке компресоре или суочавања са изненадним порастом притиска. Ови материјали за складиштење такође трају дуго. Системи доброг квалитета обично обрађују хиљаде и хиљаде циклуса пуњења и пуњења пре него што уопште покажу много знојања, што објашњава зашто тако добро раде за ствари као што су хитне резервне напајања, станице за пуњење водоника и индустријски процеси где је чист водоник потребно да буде доступан повремено Такође је важно да изабрате праву мешавину легура. На пример, неке легуре као што је ЛаНи5 боље раде на нижим температурама док друге као што је Мг2Ни производе виши излазни притисак. Ова флексибилност омогућава оператерима да одговарају притисцима испоруке у распону од 1 до 30 бара у зависности од тога шта одређена опрема захтева за оптималан рад.

Процене реалне одрживости: Компромиси волуметричких и гравиметријских капацитета

Балансирајући густину, кинетику и живот циклусаПоуке из ЛаНи5 и Мг-базираних метални хидридни системи

Да би индустрија усвојила ове материјале, потребно је да пронађе прави баланс између количине водоника који могу да сачувају у обемном односу (В2 на литар) и тежине (В2 на килограм), као и брзине рада и дуготрајности током вишекратних циклуса пуњења. Узмите лантанникел пет базирани хидриди на пример. Ове ствари су прилично поуздане, задржавају више од 90% капацитета чак и након што прођу кроз 1.000 циклуса пуњења и пуњења. Такође се прилично добро понашају на нормалним температурама, али постоји улов. Високи садржај никла значи да нису много ефикасни у смислу тежине, максимум око 1,4 одсто тежине. С друге стране, опције засноване на магнезијуму имају ову невероватну предност са гравиметријском густином која достиже 7,6 одсто тежине захваљујући лаким атомима магнезијума. Међутим, потребна су им прилично врућа радна условима око 300 степени Целзијуса. И када се то загреје, апсорпција се успорава и деградација се дешава брже. То им смањује живот у односу на оне који раде на нормалним температурама за око 40 до 60 посто. Ко ће победити? Па, зависи од тога шта је најважније за апликацију. За ствари као што су авиони или преносиви уређаји где се сваки грам рачуна, гравиметријска ефикасност је краљ. Али ако говоримо о сталним инсталацијама или производњи водоника у индустријском обиму, онда дуговечност, безбедносне маржине и лакоћа рада постају важније факторе. Зато се многе такве апликације и даље користе са интерметалним једињењима као што је LaNi5 упркос њиховим ограничењима.

Често постављене питања о складиштењу металног хидрида

Шта су метални хидриди?

Метал хидриди су једињења формирана када водоник ствара реверзибилне хемијске везе са металима, које се углавном користе за складиштење водоника кроз ове везе.

Како се интерметални и комплексни хидриди разликују?

Интерметални хидриди формирају металне везе и добро раде на собној температури, али имају малу капацитета за складиштење водоника. Комплексни хидриди користе ковалентне везе и могу да чувају више водоника, али захтевају веће температуре за ослобађање.

Зашто је кинетичка равнотежа важна за апсорпцију водоника?

Кинетика утиче на ефикасност апсорпције, која се може пореметити контаминацијом површинских оксида или спором дифузијом, посебно у системима магнезијума.

Које су главне предности складиштења металног хидрида водоника?

Системи за складиштење металног хидрида пружају неодређену сигурност, раде под притиском околине и омогућавају прецизно ослобађање водоника модулисаног температуром, идеално за индустријске апликације.

Како обимни и гравиметријски капацитет утичу на примену?

Волуметријски и гравиметријски капацитет утичу на ефикасност складиштења и погодност за примену, а фактори као што је индустријска употреба фаворизују различите хидриде на основу њихових карактеристика.