Исследование характеристик электрохимического компрессора/концентратора водорода на основе полимерной электролитической мембраны

Содержание

Введение Обоснование актуальности исследования, формулировка цели и постановка задач, определение объекта, предмета и методов исследования.

Глава 1. Теоретические принципы водородной энергетики

1. Электролиз и реакция выделения водорода: анализ фундаментальных закономерностей
2. Технологии получения водорода: современные подходы и практическое применение
3. Аккумулирование водорода в системах энергоснабжения: технические решения и схемы
4. Классификация водородных компрессоров и особенности "электрохимического компрессора водорода"

Глава 2. Методология экспериментальных исследований

1. Постановка эксперимента: организация испытаний и методические установки
2. Разработка модели испытаний для "электрохимического компрессора водорода" с акцентом на электродинамику
3. Методы измерения электрических характеристик электролизера в режиме получения кислорода и водорода

Глава 3. Анализ экспериментальных данных и оценка эффективности техники

1. Исследование характеристик модельного электрохимического компрессора водорода в динамических условиях
2. Интерпретация измерений параметров электролизера с целью оптимизации процессов получения водорода

Заключение

Подведение итогов, выводы по достигнутым результатам и рекомендации для дальнейших исследований в области водородной энергетики.

Список литературы

Перечень использованных источников и справочной информации.

Приложение

Дополнительные материалы, чертежи и таблицы для иллюстрации экспериментальных данных.

Поддержание стабильной протонной проводимости в мембранах требует их сохранения в увлажненном состоянии, что достигается путем подачи водяных паров в анодную либо катодную камеры. Значительная разница давлений между камерами способствует возникновению обратной диффузии водорода, интенсивность которой пропорциональна увеличению этого градиента. Влияние данного процесса на эффективность работы компрессора является существенным, поскольку обратная диффузия напрямую снижает работоспособность системы.

Использование перфторированных протонообменных мембран типа Nafion, а также их аналогов, стало основной практикой в данной области, поскольку они обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики. Исследования показывают, что работа электрохимических водородных компрессоров определяется перепадом давлений между катодной и анодной камерами, что позволяет при использовании одной электрохимической ячейки достигать давления в несколько МПа. Применение многоячеевых конструкций дает возможность увеличить производительность, а каскадные схемы позволяют получить выходное давление до 40 МПа, как продемонстрировано на электрохимическом компрессоре водорода компании HyET (см. рисунок 16).

Особое внимание уделяется удельным энергозатратам при очистке и компримировании водорода, которые в системах с ТПЭ не превышают 0,6 кВт·ч/м3, что в четыре раза ниже показателей механических компрессоров, представленных на схемах. Главной проблемой дальнейшего повышения давления является обратная диффузия водорода через ТПЭ-мембрану. Для уменьшения утечки применяют газоплотные мембраны, модифицированные с использованием органического наполнителя, например, фосфата циркония, что подтверждено данными современных исследований.

Обеспечение безопасности при эксплуатации водорода является неотъемлемой частью проектирования производственных объектов. Ключевой мерой является предотвращение возгорания водорода, поскольку в случае взрыва смеси водорода с кислородом выделяется большое количество энергии. Опасные концентрации H2 варьируются от 4 до 74%, при этом минимальное значение для воспламенения составляет 4%, а при содержании более 75% водород уже не склонен к взрыву. Жидкий водород представляет дополнительную опасность из-за своей способности конденсировать воздух, что приводит к быстрому испарению при аварийном разливе вследствие низкой теплоты парообразования.

В совокупности, можно выделить три основных направления риска, связанных с водородом:

1. Разгерметизация аппаратов под давлением.
2. Пожароопасность.
3. Вероятность взрыва.

Таким образом, современная практика и нормативная документация подчеркивают необходимость комплексного подхода к разработке систем с водородом, учитывая как энергетическую эффективность, так и обеспечение безопасности эксплуатации.

Список литературы

– V.

01 – энергетические системы и комплексы. Черноголовка,

04 – Физическая химия. Казань,

– с. 70 –

– 229 с.

С.А. Григорьев, В.И. Порембский, В.Н. Фатеев и др. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы// Транспорт на альтернативном топливе № 3 (

С.А. Григорьев, С.В. Коробцев. Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита // «Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (

05 – Электрохимия,

А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. Исследование системы компремирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом / Успехи в химии и химической технологии. Том. XXIII, №

Шпильрайн Э.Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г., Введение в водородную энергетику, М., Энергоатомиздат, 1984 – 264 с.

Радченко, Р. В. Водород в энергетике: учеб. пособие / Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та,

– 186 с.

Водородные энергетические технологии: Материалы семинара лаборатории ВЭТ ОИВТ РАН: сб. науч. тр. / редкол.: Д.О. Дуников (отв.ред.) [и др.]. – М.: ОИВТ РАН,

ПБ 03-598-

А.А. Алексеенко. Оптимизация состава и микроструктуры Pt/C и Pt-Cu/C электрокатализаторов с низкимсодержанием платины. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности

Бочарников Михаил Сергеевич. Разработка и исследование металлогидридных компрессоров водорода высокого давления для систем аккумулирования энергии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды". / Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России».

В.В. Хризанфорова. Комплексы никеля и кобальта с P,N,S-лигандами в электрокаталитических реакциях выделения/окисления водорода. Диссерта¬ция на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности

Глинка Н.Л.Общая химия: учебное пособие для ВУЗов / под ред. А.И. Ермакова. – 30-е издание. М.:

Долгополов.С.Ю. Введение в ядерно-водородную энергетику: учебное пособие – Томск: Томский поличехнический университет,

– 168 с.

– Вып.

Maria Nordio, Mikel Eguaras Barain, Leonard Raymakers, Martin Van Sint Annaland, Martijn Mulder, Fausto Gallucci. Effect of CO2 on the performance of an electrochemical hydrogen compressor. // Chemical Engineering Journal v. 392 (

– 190 с

– 728 с.

, 2008 г. – с .62 –

Малышенко С.П. Водород как аккумулятор энергии в электроэнергетике // Российский химический журнал.

Stamatakis E. et al. Metal hydride hydrogen compressors: Current developments & early markets // Renewable Energy. –

–

1016/j.cej.

Литература

– https://doi.org/

– P. 850-

– 142 с.

Т. XLI. – c. 112 –

– 137 c.

октябрь 2011 г. – с. 57 –