Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Содержание

Водородный двигатель. достоинства и недостатки

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Неопубликованная запись

Автокомпании ломают голову, какие двигатели будут пользоваться популярностью в будущем. Некоторые разрабатывают электрические, а некоторые водородные.

Вот водородный двигатель рассмотрим.

Когда запасов нефти уменьшаться, людям придется использовать альтернативные виды топлива. И водородный двигатель вполне может заменить ДВС.

Силовые установки такого типа двигателей имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Главное преимущество двигателей на водороде, это неограниченный запас сырья для топлива. Основой топлива может стать вода. Интерес к водороду появился еще 70-х годах, а 1-ый водородный мотор изобрели только в 21 веке.

Водород использовали во время блокады Ленинграда, им заправляли лебедки аэростатов. Конечно, преимущества очевидны, при этом существует много «но».

Особенности водорода, как топлива для двс 

1) После сгорания остается водяной пар;

2) Реакция происходит быстрей, чем с бензином или дизелем;

3) Детонационная устойчивость повышает степень сжатия;

3) Благодаря своей летучести, водород проникает в самые малые полости, зазоры между деталями; 

4) Теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси (нужны стойкие материалы);

5) Широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Она позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;

6) Хранение водорода в основном в сжатом или жидком состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.

Устройство и принцип работы

Главное отличие двигателей на водороде, заключается в способе подачи и воспламенении водородной смеси. 

Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в КПД неизменно. Так как горение нефтяного топлива происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение. 

Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе может быть высоким.

В идеале водородный мотор может иметь систему питания закрытого типа. Смесеобразование происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, он проходит через радиатор, конденсируется становится водой. 

Но это возможно если на автомашине стоит электролизер, он отделяет с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом. На практике это осуществить сложно. 

Для уменьшения силы трения в двигателе используют масло. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Недостатк исподбзования водородных двигателей

Главный недостаток – это стоимость получения водорода, комплектующих для хранения и транспортировка. 

Для сохранения сжиженного состояния требуется поддержка постоянной температуры -253º С. Доступный способ получения Н2 –  электролиз воды. Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат.

Рентабельным его может сделать ядерная энергетика, и пока ей пробуют найти замену. Транспортировка и хранение требуют дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов.

Помимо электрохимического генератора еще нужен легкий и прочный бак.

Другие недостатки водородного топлива:

– Взрывоопасность. 

В замкнутом пространстве достаточная концентрация газа может взорваться. Это может спровоцировать даже высокая температура. Из-за высокой степени диффузности водорода возможно попадания Н2 в выхлопной коллектор, то есть реакция с горячими выхлопными газами спровоцирует возгорание. Роторный двигатель предпочтительнее для водородного автомобиля; 

для хранения водорода нужна большая емкость, специальные системы они должны препятствовать улетучиванию Н2 и защищать от механических деформаций. 

Для автобусов, грузовиков и водного транспорта эта особенность не имеет значения, но легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения; 

при высокотемпературных нагрузках водород может провоцировать разрушение деталей цилиндропоршневой группы

Требуется применение специальных сплавов и смазочных материалов, а из-за этого ведет к удорожанию производства и эксплуатации водородных двигателей.

Технология гибридных двигателей – это промежуточная составная часть между началом введения водорода в качестве топлива до отказа от нефтепродуктов. Автомашины гибриды смогут двигаться и на бензине, и на водороде.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Автомобилестроение – это не единственная область, где применяют водородные моторы. Водный транспорт, железнодорожный транспорт, авиация и др.

Интерес у многих предприятий, такие как: BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и др. Сейчас можно увидеть и опытные образцы, и рабочие модели.

BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и другие модели

Но, высокая стоимость водорода и отсутствие заправочных станций, да и недостаток специализированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не дает ввести массовое производство. Оптимизация цикла использования гремучего газа стала первоначальной задачей в развитии водородного мотора.

/ Прием на работу / Как хранить водород в земле

Публикации: Наноматериалы (рубрикатор)

В связи с истощением запасов природных ресурсов сегодня перед человечеством встаёт очень важная проблема: какой источник энергии в будущем заменит традиционные виды топлива? Давайте посмотрим вокруг нас: топливо, которое мы сжигаем каждый день в баках автомобилей и которое используется для обогрева нашего жилья, вода, которую мы пьём, полимеры, которые нас окружают, содержат водород, во всех живых существах также содержится огромное количество водорода, звёзды состоят, в основном, из водорода и гелия. H2 – самый распространённый элемент во вселенной (до 92% всех атомов во Вселенной). Реакция окисления водорода происходит с выделением достаточно большого количества тепла (~300 кДж/моль воды), при этом не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.

Эту реакцию можно проводить двумя различными путями: обычное горение и окисление с использованием электрохимических ячеек, в которых может быть реализован КПД вплоть до 95-97%.

Проблема хранения водорода

Получение водорода — лишь первый шаг в водородной энергетике (рис.

9.7). Следующая проблема заключается в хранении водорода в такой форме, которая могла бы быть достаточно дешевой,

Рис. 9.7. Различные пути получения водорода простой в обращении и безопасной для потребителя. Поскольку водород — очень легкий газ, он содержит значительно меньше энергии, чем обычное жидкое топливо, находящееся под тем же давлением.

В нормальных условиях для того чтобы получить эквивалентное количество энергии, надо затратить такое количество водорода, которое занимает примерно в 3000 раз больший объем, чем бензин. Таким образом, прежде чем использовать водород для хранения энергии, его вначале надо сжать, подвергнуть ожижению или адсорбировать на каком-то твердом носителе.

Хранение водорода в жидком виде требует использование высокого давления, особо

Хранение и транспортировка водородного топлива

Стр 4 из 16Хранение и транспортировка водорода представляют вторую по значимости проблему в развитии ВЭ. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения.

В настоящем реализованы следующие физические методы, хранения водорода: Сжатый газообразный водород: газовые баллоны;

Хранение водорода в адсорбированном состоянии

Как водород, так и метан легко адсорбируются углем.

Молекулы газа удерживаются на поверхности слабыми вандерваальсовыми силами, поэтому затраты энергии, необходимой для десорбирования топлива, невелики. В углеродных системах хранения могут комбинироваться адсорбция и дру­гие методы аккумулирования водорода: сжатие газа и понижение температуры.

Углеродные нанотрубки являются перспективным материалом и могут по­глощать водород более эффективно. Опубликованные данные по однослойным нанотрубкам показывают, что при температуре 120 К и давлении 0,4 атм массо­вое содержание водорода в них может достигать 10 %.

3.3.2. Хранение и использование водорода

В больших количествах водород лучше всего хранить под землей.

Для этого можно использовать выработанные коллекторы-пустоты, оставшиеся после выкачивания нефти и природного газа, или шахты и прочие подземные сооружения. Подобные хранилища имеются в Великобритании и Франции.

В водородной энергетической системе из воды, одновременно с водородом, производится и кислород.

Он также может быть помещен в хранилища и доставлен по трубопроводам к месту потребления или выброшен в атмосферу. При сжигании водород соединяется с кислородом или из хранилища, или прямо из воздуха. Электричество может быть

Водородная энергетика: способы хранения водорода

Данный пост является продолжением темы водорода и водородной энергетики, освещаемой мною в постах.

Я рассказывал про историю изучения данного элемента и о способах производства водорода.

В данном тексте я хочу в цифрах и фактах рассказать о водороде. Блок саморекламы, заинтересовало зайди загляни, тебе не сложно, а мне приятно ��.

Пост будет посвящён водородной энергетике, а в частности промышленн.

Они включают в себя большие и малые стационарные газовые хранилища, мобильные системы хранения (например, танкеры и автоцистерны).

Ввиду низкой плотности водорода, его

Хранение водорода

.

Так как Вы не можете сделать водород достаточно быстро, чтобы привести автомобиль в движение в режиме реального времени, необходимо производить его отдельно, и иметь всегда под рукой запас. Есть 3 способа сделать это: 1. Сохранить Водород как сжатый газ.

2. Сохранить Водород как жидкость. 3. Сохранить Водород, химически соединенный с химикатом. 1. Если хранить Водород как сжатый газ, то необходимы огромные резервуары, так как Водород не очень плотен, Кроме того, возить гигантскую бомбу за спиной не безопасно.

2. Второй способ действительно решает проблему плотности, так как жидкости более плотны чем газы, таким образом Вы можете уменьшить количество резервуаров и их размеры.

Новая проблема, с которой мы сталкиваемся, является то что жидкий водород в криогенном. вкратце жидкий водород очень холодный.

Необходимо, чтобы вакуумный термос (дьюар) резервуара и вентили полностью исчерпали кипящий Водородный газ.

В чем хранить водород

28.02.2007 Российские ученые предлагают для хранения водорода использовать углеродные наноматериалы Российские ученые предлагают для хранения водорода использовать углеродные наноматериалы: фуллерены и кластеры из них.

Их работа поддержана комплексной программой фундаментальных исследований Президиума РАН Водород считают одним из перспективных источников энергии в будущем.

Но его надо получать, хранить, перевозить. В частности, для хранения водорода сегодня используют различные устройства — аккумуляторы водорода.

Конструкции их постоянно совершенствуют, но до сих пор не создано таких, которые бы содержали водорода достаточно для широкого промышленного применения.

У тех аккумуляторов, которые используют сегодня, содержание водорода не превышает пяти-шести процентов по весу. В промышленности водород в настоящий момент хранят в сжатом газообразном состоянии, в сжиженном виде, в виде гидридов или металлогидридных систем, а также в цеолитах.

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Экология потребления.Наука и техника: Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии.

Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии. Проблема состоит в том, что газообразный водород трудно безопасно хранить и перевозить.

Интенсивность, с которой он горит, сделала жидкий водород топливом для космической промышленности, для этого он должен быть сжиженным при очень низких температурах. В настоящее время японская исследовательская группа изобрела компактный, гибкий полимер, который может быть использован для создания пластикового контейнера в котором водород можно безопасно носить даже в кармане.

Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки.

И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода.

Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня.

Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем. Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем.

Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

  • паровая конверсия метана и природного газа;
  • газификация угля;
  • электролиз воды;
  • пиролиз;
  • биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия.

Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз. Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%.

Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород. Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.

Источник Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию. В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт.

Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию. Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм).

Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки.

Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх. Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды.

Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах.

Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место. Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки.

К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации.

Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57.

И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством. Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США.

Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки. Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс.

циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением. Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей).

Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник) Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант.

При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере.

Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

  • водород
  • автомобили
  • электрокары
  • транспорт
  • будущее
  • справочная

Хабы:

  • Автомобильные гаджеты
  • Транспорт
  • Экология
  • Будущее здесь

Технологии и способы хранения водорода

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем развития водородной энергетики.

Сложность этой задачи определяется тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов.

Достаточно сказать, что в жидком и твердом состояниях водород более чем на порядок легче воды и на порядок легче бензина.

Наиболее известный способ хранения водорода — это хранение в сжатом состоянии. По своим массогабаритным характеристикам и по характеристикам взрывопожаробезопасности он не полностью удовлетворяет условиям эксплуатации в наземном транспорте и в морских условиях, особенно на подводных кораблях и аппаратах.

Взрывопожароопасным является и еще один известный вариант хранения водорода — в криогенном виде. Несмотря на то, что этот вариант хранения широко применяется в космической технике, он имеет существенные недостатки.

Неоднократно выполненные исследования проблемы взрывопожаробезопасности криогенного водорода показали, что для транспортных установок допустимо только кратковременное хранение водорода (не более нескольких суток), да и то при условии тщательного обоснования.

При этом параметры взрывопожаробезопасности в значительной степени определяются объемом хранимого газа и улучшаются с уменьшением объема. Именно последнее обстоятельство позволило в лунной экспедиции космического корабля «Аполлон» использовать этот метод хранения.

Что же касается возможности использования криогенного метода на кораблях и особенно на подводных лодках, где масса хранимого водорода во много раз больше, чем на космических кораблях, а время хранения составляет десятки суток, то вряд ли этот способ может оказаться приемлемым.

С точки зрения безопасности наиболее предпочтительный способ хранения водорода для транспортных средств — связанное хранение — либо в химически связанном виде (гидриды), либо с использованием управляемых способов сорбции-десорбции водорода некоторыми интерметаллическими соединениями. Именно способ связанного хранения водорода в гидридах интерметаллидов применяется на немецких подводных лодках типа U-212.

Перспективность хранения и генерации водорода в химически связанном состоянии определяется следующими особенностями этого способа:

  • накоплением водорода в составе гидридов, используемых как промежуточный продукт при транспортировке и хранении;
  • генерацией водорода непосредственно в месте его потребления, в частности на транспортном средстве, путем разложения гидридов одним из известных путей. Этот процесс может быть включен в рабочий цикл установки, что исключает необходимость предварительного накопления водорода перед его использованием;
  • применением принципа аккумулятора с возможностью многократной зарядки и разрядки без замены сорбентов;
  • относительно низкими давлением и температурой в процессе эксплуатации. Существенными недостатками этого способа являются большая удельная масса системы хранения и относительно высокая стоимость.

Классификация методов хранения водорода

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы.

Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

  • газовые баллоны;
  • стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;
  • хранение в трубопроводах;
  • стеклянные микросферы.

Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

Вторая группа включает химические методы, в которых хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения и являются следующими:

Адсорбционный водород:

  • цеолиты и родственные соединения;
  • активированный уголь;
  • углеводородные наноматериалы.

Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).

Химическое взаимодействие:

  • алонаты;
  • фуллерены и органические гидриды;
  • аммиак;
  • губчатое железо;
  • водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Таблица 10.1
Удельные показатели пяти способов хранения

Хранение водорода в газообразном виде под давлением

Это самый традиционный способ хранения водорода. Поскольку водород ведет себя по добно идеальному газу при температуре окружающей среды, справедливо уравнение для идеальных газов:

P ∙ V = n ∙ R ∙ T,

где n — количество водорода, моль; R — газовая постоянная.

Количество энергии, сохраненной в форме химической энергии сжатого водорода, может быть оценено изменением теплосодержания, когда водород использован, — например, когда он реагирует с кислородом, в результате чего получается вода.

Наземное хранение газообразного водорода

Наземные водородные контейнеры хранения отличаются по размерам, но имеют, как правило, стандартное давление 20 МПа. Есть также контейнеры высокого давления (> 20 МПа) и большие сферические контейнеры низкого давления (> 15 000 м3 и 1,2— 1,6 МПа).

Самый обычный материал, используемый в водородных контейнерах, — сталь. Это весьма дешевый и практичный материал, но тяжелый, и, таким образом, гравиметрическая плотность хранения водорода с учетом массы контейнера оказывается низкой. Некоторые контейнеры сделаны из алюминия.

Такие баллоны при одинаковых давлениях легче стальных.

Идеальная объемная плотность энергии водорода под давлением 20 МПа при температуре окружающей среды составляет 651,4 кВт ∙ ч/м3. Для реальных систем эта величина, естественно, меньше, и когда принят во внимание контейнер, объемная плотность энергии в случае применения стальных контейнеров (цилиндрических баллонов) составит 537 кВт ∙ ч/м3.

Гравиметрическая плотность энергии (или удельная энергия) в баллоне под давлением, в отличие от объемной, очень сильно зависит от свойств материала контейнера.

Традиционные стальные баллоны позволяют достигать плотности энергии приблизительно 0,45 кВт ∙ ч/кг, что эквивалентно 1,1 % массы сохраненного водорода по отношению к общей массе системы хранения.

За счет оптимизации контейнера и выбора материала может быть достигнута относительная плотность 1,5—2,6 % массы сохраненного водорода от общей массы системы хранения.

Применение новых материалов позволило создать ультралегкие бесшовные контейнеры из углеродного волокна.

В этих контейнерах достигнута гравиметрическая плотность 6 % от веса.

Одно из положительных свойств контейнеров заключается в том, что они не пропускают водород, протечки практически отсутствуют. Небольшие утечки могут быть через соединения, но с помощью надлежащих стыков и регуляторов их легко предотвратить.

Подземное хранение газообразного водорода

Подземные пещеры — простой и относительно дешевый метод для крупномасштабного хранения водорода. Есть несколько различных видов пещер, которые могут использоваться: солевые пещеры, естественные пещеры и структуры водоносного слоя. Соль часто залегает в форме уровней, которые могут иметь толщину до нескольких сотен метров. Они фактически непроницаемы для воды и воздуха.

Водоносные слои расположены в пористых геологических уровнях. Газ вводится в пористый слой, первоначально заполненный водой, в котором и накапливается. Применение этого метода требует специальных геологических условий, он может использоваться только в некоторых регионах.

Помимо солевых пещер и водоносных слоев, водород может быть сохранен в естественных и искусственных пещерах.

Давление в земных пещерах изменяется от 8 до 16 МПа, и, таким образом, объемная плотность энергии составляет приблизительно 250—465 кВт ∙ ч/м3. В структурах водоносных слоев плотность энергии, естественно, значительно меньше. Потери, вызванные утечками в земных пещерах, составляют приблизительно 1—3 % от полного объема в год.

Хранение водорода в сжиженном виде

Жидкий водород используется как топливо в космической технологии в течение многих лет. Сосуды с жидким водородом легче, чем сосуды под давлением.

Однако водород превращается в жидкость при температуре 20,25 °К, и следовательно, система хранения требует сложных методов изоляции для предотвращения испарения.

Квантово-механический анализ водорода показывает, что есть два различных вида водородных молекул: ортоводород с параллельным ядерным вращением и параводород с антипараллельным ядерным вращением.

Это определяет необычное поведение теплоемкости водорода при низких температурах и приводит к отличию идеальной необходимой работы для сжижения водорода от экспериментальных данных.

Реальная энергия, которая должна быть израсходована для сжижения водорода, — при близительно 11 кВт ∙ ч/кг, что составляет около 28 % от высшей теплоты горения водорода. Это одна из самых больших проблем использования жидкого водорода. Однако эта потеря энергии в некоторых случаях частично компенсируется большой ее плотностью.

Плотность жидкого водорода, включая контейнер хранения, составляет приблизительно 25,9 % по массе, при этом массовая плотность энергии равна 10,1 кВт ∙ ч/кг и объемная плотность энергии — приблизительно 2760 кВт ∙ ч/м3.

Контейнеры хранения теряют энергию при неизбежном испарении водорода, которое вызвано теплопроводностью изоляции.

Потери на испарение изменяются от 0,06 % в день для больших контейнеров до 3 % в день — для маленьких сосудов. Контейнеры обычно имеют комбинированную изоляцию. Она включает вакуумную изоляцию, охлаждаемые паром лучевые экраны и обычную многослойную изоляцию (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Схема изоляции контейнера для хранения жидкого водорода

Вакуумная изоляция уменьшает передачу теплоты теплопроводностью, поскольку теплопроводность газа сильно уменьшается при уменьшении его давления. Несколько отражающих экранов, окружающих внутренний контейнер (так называемая многослойная изоляция), могут уменьшить передачу теплоты излучением.

Значительное сокращение скорости испарения водорода, связанного с потоком теплоты q, может быть достигнуто путем охлаждения экранов изоляции вентилируемым водородным паром. Это уменьшает температурный перепад между экранами изоляции, что приводит к меньшему потоку теплоты. Такой метод используется прежде всего в больших контейнерах.

Хранение водорода в связанном виде

Металлические гидриды состоят из металлических атомов, которые составляют ведущую решетку, и водородных атомов, которые находятся в своеобразных ловушках, представляющих собой дефекты решетки или вакансию. Ловушка бывает дефектом строки, в котором могут накопиться атомы водорода.

Такая дефектная строка увеличивает напряжение решетки, особенно если два смежных атома повторно объединяются, чтобы формировать молекулярный водород.

С этого момента адсорбция водорода увеличивает размер решеток, поэтому металл обычно используют в виде порошка, чтобы предотвратить растрескивание крупных металлических частиц.

ontakteWhatsAppEmail

9 изобретений, которые используются совсем не так, как планировалось

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Суперклей, тефлоновые сковородки или удобные клейкие листочки очень облегчают нам жизнь. Кажется, на их изобретение была потрачена масса сил и времени. Но, оказывается, это не всегда так. Бывало, изобретатели сами не подозревали, какие крутые штуки они создадут. Взять хотя бы булочки с изюмом: вы знали, благодаря какой забавной случайности появилось это кулинарное новшество?

AdMe.ru изучил сведения о нескольких известных всем изобретениях, которым было найдено совершенно неожиданное применение.

1. Эликсир бессмертия vs. Порох

© wikipedia   © wikipedia  

Изобретателями пороха — взрывчатого вещества из кусочков угля, серы и селитры — признаны китайцы. Но они изначально планировали использовать его отнюдь не в военных целях.

Селитру широко применяли в медицине: китайские алхимики смешивали ее с целебными веществами для создания лекарств или поджигали для получения «исцеляющего» дыма. По некоторым данным, в попытках отыскать эликсир бессмертия они случайно изобрели порох.

Результатом этих безуспешных алхимических опытов также стало открытие фейерверка, петард и собственно бомб. А вот первыми запускать снаряды с помощью пороховых газов догадались европейцы несколькими веками позднее.

Но справедливости ради заметим, что порох использовался не только на войне, но и в горном деле, в промышленности, машиностроении, химии и баллистике.

2. Криминалистика vs. Язык тела

Язык тела, или кинесика, вызывает интерес у всех, кто хоть немного увлекается психологией. Ведь порой по тому, как человек смотрит, как улыбается, какие позы принимает, можно узнать о нем то, что даже он сам о себе не знает.

Эту науку изучали древнеримские ораторы, выдающиеся антропологи, психологи и культурологи. Наибольшую практическую пользу знание языка тела принесло криминалистам. Наблюдая за невербальным поведением подозреваемого или свидетеля, следователи могут понять, говорит ли он правду или что-то умалчивает, в каком настроении и состоянии он находится, в целом что это за человек.

А вот сегодня в расшифровке значения мимики и жестов разбираются не только работники правоохранительных органов. Благодаря ряду книг о языке телодвижений, например одноименному бестселлеру Аллана и Барбары Пиз, каждый может научиться читать мысли других людей по их жестам, чтобы эффективно вести деловые переговоры и найти верного спутника жизни.

3. Ингредиент для пороха vs. Йод

© wikimedia   © wikimedia  

Селитра — это удобрение и важный ингредиент для изготовления пороха. В 1811 году владелец завода по производству селитры Бернар Куртуа благодаря этому веществу случайно обнаружил йод.

Во Франции и других странах в то время из соли морских водорослей получали щелочное вещество для производства пороха. Куртуа заметил, что пепел водорослей разъедает медный котел. Чтобы выяснить, почему это происходит, химик стал добавлять к пеплу различные реагенты.

В результате он обнаружил фиолетовые пары какого-то неизвестного вещества. Двумя годами позже французский химик и физик Гей-Люссак исследовал это вещество и дал ему название — «йод».

А еще несколько лет спустя немецкие врачи рассказали Куртуа о целебных медицинских свойствах йода.

Есть легенда, что первооткрывателем йода стал не сам Куртуа, а его кот. Якобы однажды он прыгнул на бутылку с химикатами, пролив спиртовой раствор золы морских водорослей и серную кислоту, в результате чего и стал внезапно соавтором великого открытия.

4. Прицел vs. Суперклей

© wikimedia   © vimeo  

Суперклей — это еще одно всемирно известное изобретение, созданное по воле случая. Американский химик Гарри Кувер во время Второй мировой войны экспериментировал над созданием прозрачного пластика для оптических прицелов. Но эксперименты, казалось, не принесли успеха, потому что полученное вещество было ужасно клейким и портило лабораторное оборудование.

Несколько лет спустя ученый вспомнил о своем изобретении и понял, что его можно успешно использовать в коммерческих целях и во благо человечеству: чудо-клей спас множество жизней во время войны во Вьетнаме, склеивая раны пострадавших во время их перевозки в больницу.

В 1958 году Кувер получил патент на свое изобретение, ставшее известным по всему миру как суперклей. Интересно, что, несмотря на колоссальный успех, химик не стал сказочно богатым, потому что суперклей обрел популярность уже после того, как срок патента завершился.

5. Холодильник vs. Тефлон

© pexels   © pixabay  

В 1938 году молодому американскому ученому Рою Планкетту дали задание: найти новую нетоксичную форму хладагента для холодильника. Рой вместе с помощником Ребоком экспериментировали с одним из потенциальных веществ — бесцветным газообразным веществом тетрафторэтиленом (TFE) — соединением фтора и углерода.

Полученный газ хранился в небольших баллонах. В один день, придя в лабораторию, ученые обнаружили, что вещество в баллоне исчезло: газ не выходил, но, судя по весу, был там. Планкетт вскрыл баллон и увидел, что тетрафторэтилен превратился из газа в воскообразную субстанцию. А в ходе изучения выяснилось, что это вещество не подвергается коррозии и очень скользкое.

Через 3 года открытие было запатентовано и получило название тефлон. Еще 4 года спустя открылось коммерческое производство. Сначала — для промышленности и военного дела, затем — для производства практически не пачкающихся тканей, изоляции проводов и, наконец, создания сковород с антипригарным покрытием.

6. Суперклей vs. Клейкие листочки

© pixabay   © pexels  

Стикеры Post-It-Notes, один из самых популярных ныне офисных товаров, появились на свет также случайно. Более того, их создателям понадобилось 12 лет, чтобы понять, как использовать свою находку.

В 1968 году ученый Спенс Силвер работал над улучшением акрилового клея для липкой ленты. Но у него ничего не получалось. Новый клей по сути не обладал достаточной клейкостью, он был просто липким. Силвер понял, что он изобрел что-то необычное, но никак не мог найти в своем изобретении практическую пользу.

Долгое время он показывал свой клей в виде спрея и липкую доску объявлений всем знакомым. И однажды коллега ученого, Артур Фрай, наконец довел разработку до ума.

Мужчина пел в церковном хоре и испытывал трудности с поиском текста в книге: он использовал в качестве закладок куски обычной бумаги, но они всегда выпадали. Тогда Фрай предложил клеить закладки к книге с помощью изобретения Силвера.

Закладки таким образом прекрасно держались на листе и при желании отклеивались, не оставляя никаких следов. В таком виде стикеры Post-It-Notes пользуются огромной популярностью и сегодня.

7. Многоразовая посуда vs. Вафельный рожок

© wikimedia   © wikipedia  

Мороженое было любимым лакомством людей еще в конце XIX века: уже в то время его продавали на каждом углу. Пломбир накладывали либо в бумажные пакеты, либо в стеклянные стаканчики, что, конечно, было не очень гигиенично и даже опасно, учитывая привычку покупателей слизывать остатки подтаявшего мороженого с посуды.

В 1890-х и начале 1900-х годов несколько изобретателей получили патенты на производство разных съедобных емкостей для мороженого. Но в историю вошел только один — торговец сирийского происхождения Эрнест Хамви.

В 1904 году в Америке во время Всемирной выставки стояла жара. У торговцев мороженым, в том числе у молодого Арнольда Фомачу, собралась большая очередь. Мороженщик не мог обслужить всех, потому что не хватало посуды.

А у стоящего неподалеку продавца горячих хрустящих вафель Эрнеста Хамви покупателей не было. Он решил помочь коллеге и, свернув вафли в виде конусного рожка, «рога изобилия», дал их продавцу мороженого вместо многоразовых стаканчиков.

Такая подача вызвала фурор и быстро распространилась по всему миру.

8. Водонепроницаемая скатерть vs. Целлофан

© pixabay   © wikimedia  

В 1908 году химик и инженер одной французской текстильной компании Жак Бранденбергер работал над созданием влагонепроницаемого покрытия для кухонных скатертей. Ученый считал, что если обработать ткань недавно открытой вискозой, то она не будет пачкаться. Однако такое покрытие оказалось слишком жестким, а еще было непрочным и отслаивалось тонкой прозрачной пленкой.

Бранденбергер увидел потенциал в новом продукте — прочной прозрачной пленке, пропускающей водяной пар, но не пропускающей воду. В течение следующих нескольких лет химик налаживал промышленное производство целлофана (La Cellophane — от французских слов cellulose, «целлюлоза», и diaphane, «прозрачный»).

Целлофан стал широко использоваться только к концу 1930-х годов.

Тогда права на выпуск целлофана получила американская компания DuPont, и ее сотрудник Хейл Черч доработал открытие Бранденбергера, сделав целлофан непроницаемым для водяного пара, что позволило этому материалу совершить революцию в пищевой промышленности. И только в 1960-х годах на смену целлофану пришел полиэтилен, правда, эти два понятия в быту путают до сих пор.

9. МРТ vs. УЗИ

© depositphotos   © depositphotos  

Рак молочной железы — самое часто встречающееся онкологическое заболевание у женщин. Есть несколько видов исследований, которые помогают выявить эту страшную болезнь на ранней стадии: маммография, рентген, КТ, УЗИ и МРТ.

Первые УЗИ-аппараты для медицинского сканирования очень отличались от современных приборов: это был резервуар с водой, в который помещались пациенты, вынужденные долгое время сидеть неподвижно. Первоначально УЗИ использовали прежде всего для обнаружения артритов и камней в почках. Некоторое время спустя врачи научились обнаруживать с помощью УЗИ опухоли, в том числе рак груди.

МРТ груди благодаря высокой контрастности молочных желез признана более информативным методом диагностики. Магнитно-резонансная томография позволяет врачам получить полную картину о структуре тканей, обнаружить опухоль, узнать о ее локализации и наличии метастаз, которые не видны, к примеру, на маммографии.

Бонус: Антисанитария vs. Булочки с изюмом

© depositphotos   © pixabay  

Эта подборка не была бы полной без еще одного открытия. Речь, правда, не о великом научном изобретении, изменившем нашу жизнь. Речь всего-навсего о том, как по забавной случайности в сдобные булочки стали добавлять изюм.

https://www.youtube.com/watch?v=S34l0yu-aaU

Эту гастрономическую легенду пересказал в своей книге «Москва и москвичи» писатель Владимир Гиляровский.

Знаменитый хлебопек Иван Филиппов готовил очень популярные в то время сайки — продолговатые сладкие булки. Их подавали в том числе к столу генерал-губернатора Закревского.

Одну нелепость, которая могла стоить пекарю карьеры, он благодаря своей смекалке смог превратить в кулинарное открытие.

«В те времена всевластным диктатором Москвы был генерал-губернатор Закревский, перед которым трепетали все. Каждое утро горячие сайки от Филиппова подавались ему к чаю. — Э-тто что за мерзость! Подать сюда булочника Филиппова! — заорал как-то властитель за утренним чаем.

Слуги, не понимая, в чем дело, притащили к начальству испуганного Филиппова. — Э-тто что? Таракан?! — и сует сайку с запеченным тараканом. — Э-тто что?! А? — И очень даже просто, ваше превосходительство, — поворачивает перед собой сайку старик. — Что-о?.. Что-о?.. Просто?! — Это изюминка-с! И съел кусок с тараканом.

— Врешь, мерзавец! Разве сайки с изюмом бывают? Пошел вон! Бегом вбежал в пекарню Филиппов, схватил решето изюма да в саечное тесто, к великому ужасу пекарей, и ввалил. Через час Филиппов угощал Закревского сайками с изюмом, а через день от покупателей отбою не было.

— И очень просто! Все само выходит, поймать сумей, — говорил Филиппов при упоминании о сайках с изюмом».

Владимир Гиляровский “Москва и москвичи”

Были ли у вас открытия или озарения, на которые вас натолкнул случай?

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.