Автореферат (Исследование тепловых процессов в системах твердофазного аккумулирования и очистки водорода)

На правах рукописиБЛИНОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ВСИСТЕМАХ ТВЕРДОФАЗНОГОАККУМУЛИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОРОДАСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016-2-Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждениинауки «Объединенный институт высоких температур Российской академиинаук» в лаборатории водородных энергетических технологий.Научныйруководитель:Официальныеоппоненты:Борзенко Василий Игоревич,кандидаттехническихнаук,заведующийлабораториейВодородныхэнергетическихтехнологий ФГБУН ОИВТ РАН;Деревич Игорь Владимирович,доктор технических наук, профессор, профессоркафедры «Прикладная математика» ФГБОУ ВПО«Московский государственный техническийуниверситет им. Н.Э.

Баумана».Никитин Пётр Васильевич,доктор технических наук, профессор, профессоркафедры«Авиационно-космическаятеплотехника» ФГБОУ ВПО «Московскийавиационныйинститут(Национальныйисследовательский университет)», Заслуженныйдеятель науки РФВедущаяорганизация:Национальный исследовательский центр«Курчатовский институт».Защита состоится “21” октября 2016 г. в 10 ч. 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, г.

Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп. Т, кафедра Инженернойтеплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотекеФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Отзывы на автореферат с подписями, заверенные печатью учреждения, просимнаправлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученыйсовет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Автореферат разослан « »2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04кандидат технических наукА.К.

Ястребов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииРост потребления энергии в мире неизбежно увеличивает нагрузку намировую экосистему и заставляет человечество искать новые подходы кповышению эффективности ее производства и потребления. Интерес киспользованию водорода в качестве альтернативы традиционным видамтоплива существует уже не одно десятилетие. Являясь универсальнымвторичным энергоносителем, водород позволяет максимально эффективноиспользовать различные первичные источники энергии и замещатьограниченные ресурсы нефти и газа во всех сферах их применения. При этому конечных потребителей практически полностью исключаются вредныевыбросы, а если водород производится с использованием возобновляемыхэнергоресурсов, экологические проблемы решаются по всей цепочке – отпроизводства до потребления энергоносителя.Успехи последних лет в разработке и создании экологически чистыхэлектрохимических генераторов (топливных элементов, далее ТЭ),преобразующих водород и кислород воздуха в электрическую энергию свысоким КПД, привели к значительному росту интереса к водороднымэнергетическим технологиям.

Наиболее перспективными для широкогоприменения являются системы на основе ТЭ с твердополимернымэлектролитом (ТПТЭ) [1–3], характеризующиеся низкими рабочимитемпературами, высокой плотностью потока энергии и большим срокомслужбы при правильной эксплуатации. К настоящему времени в мире созданобольшое число успешных демонстрационных и промышленных систем наоснове ТПТЭ, в том числе транспортных. Однако дальнейшее развитиетехнологии и переход от энергетической системы на основе природныхископаемых к энергосистемам на основе водородной энергетики сдерживаетсярядом технических проблем, где ключевой является проблема безопасногохранения водорода.

Также не менее важным критическим параметром являетсячистота потребляемого ТЭ водорода. Так, например, водород, полученный избиологических источников путем темновой ферментации, напрямую не можетбыть использован в ТПТЭ в силу наличия примесей СО2 [3].Среди различных перспективных методов хранения водородавыделяется хранение в твердофазном состоянии в гидридах металлов. Однакодо сих пор проблема создания эффективных систем обратимого твердофазногохранения водорода не решена полностью. Научно-технические проблемысоздания высокоэффективных металлогидридных устройств связаны с тем, чтов активированном состоянии водородопоглощающие материалы представляют-4-собой мелкодисперсные порошки с размером частиц порядка 1–10 мкм,обладающие сравнительно низкой эффективной теплопроводностью (порядка1 Вт/(м·К)), зависящей от давления заполняющего газа и концентрациипоглощенного водорода в частицах сплава [4, 5].

Недостаточно эффективныйподвод и отвод тепла к засыпке водородопоглощающего материала всочетании с большим тепловым эффектом реакции поглощения/выделенияводорода (25–70 кДж/моль H2) приводит к существенному снижению скоростипоглощения и выделения водорода устройством [5].Важным преимуществом металлогидридов является способностьобратимо и селективно поглощать водород, позволяя отделять его отнеадсорбируемых газов (включая CO2) и выделяя водород высокой степеничистоты, что дает возможность для объединения двух устройств в одном: дляхранения и для очистки водорода.Существующие на данный момент традиционные методы очистки газаобладают рядом недостатков, среди которых: периодичность процессаочистки, многостадийность, использование высоких температур и давлений,применение дорогостоящего оборудования для создания вакуума в стадиидесорбции примеси из адсорбера и высокого давления в стадии адсорбции,затруднение в масштабировании на малую производительность готовыхпромышленных решений (особенно криогенная очистка и методкороткоцикловой адсорбции).

При использовании металлических мембраннедостатками являются их стоимость, снижение производительности приконтакте с CO2, а также зависимость эффективности очистки от давленияисходного потока смеси [6].Свойство избирательно поглощать водород, высокая надежность,эффективность и безопасность систем твердофазного хранения и очисткиводорода позволяют решить проблему топливообеспечения автономныхэнергоустановок на базе низкотемпературных ТЭ.

Важным преимуществоминтеграции автономных энергоустановок и металлогидридных систем очисткии хранения водорода является возможность работы последних притемпературах и давлениях близких к нормальным условиям, что позволяетутилизировать тепло от низкопотенциальных источников (например, ТЭ).Использование метода очистки от газовых примесей с помощьюметаллогидридов успешно применяется в лаборатории водородныхэнергетических технологий ОИВТ РАН. Основной метод очистки с помощьюметаллогидридов схож с технологией короткоцикловой адсорбции изаключается в периодической эвакуации накопившихся примесей изсвободного объема реактора [7]. Не менее эффективным методом очистки-5-водорода является продувка водородсодержащей смеси через слойметаллогидрида, которая сможет обеспечить минимальные потери водорода навыходе.

В диссертации рассматриваются процессы тепломассообмена прииспользовании метода проточной очистки водородсодержащего газа,имеющего дополнительные преимущества, такие как простота организациипроцесса очистки, одностадийность (непрерывность процесса стадиисорбции), отсутствие громоздких клапанных сборок, относительно низкиепотери водорода при очистке. Отсутствие экспериментальных и теоретическихработ по очистке водородсодержащего газа данным методом определяетактуальность темы диссертации.Цели работы:1. Исследованиеособенностейтепломассообменапривзаимодействии водородсодержащих смесей с гидридообразующимисплавами в металлогидридных системах хранения и очистки водорода;2. Разработканаучно-техническихосновметаллогидриднойтехнологии очистки водорода, в том числе проточным методом;3.

Разработка высокоэффективных реакторов проточной очисткиводорода для систем топливообеспечения ТПТЭ;4. Разработка и создание экспериментальной энергоустановки наоснове ТПТЭ, использующей в качестве топлива биоводород.Научная новизна работы1. Исследованыособенноститепловыхпроцессоввметаллогидридных средах, связанные с наличием неабсорбируемых газовыхпримесей в водороде и предложена технология очистки водорода путеморганизации непрерывного потока смеси через металлогидридную засыпку.2. Разработаны конструкции и изготовлены экспериментальныеобразцы металлогидридных реакторов проточного типа для систем очистки ихранения водорода. Проведены их успешные испытания и определеныоптимальные режимы работы.3. Впервые разработана и создана экспериментальная энергоустановкана основе ТПТЭ, использующая в качестве топлива биоводород.Практическая значимость работыВ результате выполненных исследований созданы научно-техническиеосновы технологии металлогидридной очистки водорода проточным методомдля автономных энергоустановок на основе ТПТЭ и систем обеспечениявысокочистым водородом в микроэлектронной, фармацевтической, пищевой иряде других отраслей.-6-Достоверность полученных результатовДостоверностьполученныхэкспериментальныхрезультатовопределяется использованием современной измерительной базы, прошедшейпредварительную поверку на контрольных стендах, а также сопоставлением стеоретическими расчетами процессов тепломассопереноса в разработанныхметаллогидридных аккумуляторах.Положения, выносимые на защиту– результаты фундаментальных экспериментальных исследованийпроцессов тепломассопереноса в мелкодисперсных металлогидридных средахпри сорбции и десорбции водорода с газовыми примесями;– технология очистки водорода от азота и двуокиси углерода по методупродувки через гидридообразующий сплав;– конструкция экспериментальных образцов металлогидридных реакторовдля систем очистки и хранения водорода проточного действия;– схемные решения, конструкция и результаты исследовательскихиспытаний экспериментальной энергоустановки на основе ТПТЭ,использующей в качестве топлива биоводород.Личный вклад автораВсе перечисленные выше результаты получены автором лично или приего определяющем участии.ПубликацииПо теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, изних 5 входят в перечень ВАК.Апробация работыОсновные результаты работы были представлены на Семнадцатоймеждународной научно-технической конференции студентов и аспирантовРадиоэлектроника, электротехника и энергетика ( Москва, 2011 г.), 19-йвсемирной конференции по водородной энергетике WHEC-2012 (Торонто,Канада, 2012 г.), XVIII, XIX и XX Школах-семинарах молодых ученых испециалистов под руководством академика РАН А.

И. Леонтьева (Звенигород,2011 г., Орехово-Зуево, 2013 г., Звенигород, 2015 г.), 2-ой и 3-ейМеждународнойконференции« Наноматериалыприложенияисвойства» (Крым, Алушта, 2012 г. и 2013 г.), Шестой РоссийскойНациональной конференции по теплообмену РНКТ – 6 (Москва, 2014 г.),Симпозиуме по биоводороду и биопереработке 2015 «APEC-BPT/ABBS-2015» (Кен-Тинг, Тайвань, 2015 г.).-7-Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения исписка литературы. Объем диссертации составляет 191 страницу, включая 92рисунка, 11 таблиц и библиографию, содержащую 175 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность выбранной темы диссертации,сформулированы цели и задачи исследования.Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященнойцентральной проблеме широкомасштабного применения водорода во всехаспектах жизнедеятельности человека.