Томские ученые помогают атомщикам в разработке накопителей для водорода

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) уже несколько лет создает металлогидридные системы хранения водорода. Полтора года назад к проекту подключился Томский политехнический университет (ТПУ). Там разработали установку для изучения свойств материалов — ​накопителей водорода в широком диапазоне температур и давлений.

Водород — ​один из самых перспективных видов топлива. Он высокоэффективен и при этом наносит меньше вреда окружающей среде, чем другие виды топлива. По оценкам международного Водородного совета, уже через 30 лет на этот химический элемент будет приходиться 18 % общего мирового спроса на энергоносители. Наиболее безопасная форма его хранения — ​твердотельные накопители. В них водород находится не в виде взрывоопасного газа, а в виде твердых гидридов металлов. Гидриды могут быть использованы как для стационарного, так и для мобильного хранения водорода. Комплекс, разработанный в ТПУ, нужен для исследования свой­ств материалов — ​накопителей водорода, из которых впоследствии изготовят твердотельные накопители.

«Мы разработали и изготовили исследовательскую установку и написали для нее программное обеспечение, — ​рассказывает один из участников проекта, доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Виктор Кудияров. — ​Комплекс позволяет определять количество водорода и термодинамические параметры взаимодействия этого химического элемента с исследуемыми материалами».

Прорывной аванпроект

Четыре года назад НИИЭФА подал в АО «Наука и инновации», научный дивизион «Росатома», заявку на реализацию аванпроекта «Разработка технологии плазменного осаждения металлогидридных пленок и конструкции пленочного аккумулятора водорода». Институт предложил новый подход к созданию металлогидридных систем хранения водорода. В дивизионе идею поддержали, со временем она выросла в большой проект.

«Наша задача как главного исполнителя — ​создать прототип пленочного металлогидридного аккумулятора водорода, который отличается от традиционного порошкового подхода низкими инерционностью и температурой выделения водорода, а также доступностью применяемых материалов, — ​говорит руководитель проекта Дмитрий Карпов, курирующий в НИИЭФА направление «Плазменно-пучковые технологии». — ​Пленочные накопители состоят из тончайших металлических пленок, а не мелкодисперсных металлических порошков, как большинство аналогов. По нашим оценкам, пленочные системы хранения водорода составят конкуренцию газовым, баллонным системам, широко представленным на рынке, и будут выигрывать у них по безопасности эксплуатации. В современных баллонных системах сжатый водород хранится под давлением 700 атмосфер. Нашими потенциальными потребителями являются производители транспорта, робототехники, беспилотных летательных аппаратов, автономных и резервных источников электропитания».

Делегировали задачи

Технологии и материалы, которые в НИИЭФА разрабатывают в рамках эксперимента, не имеют аналогов. Когда создается новый материал, его необходимо тщательно изучить, чтобы понимать, как и в каких условиях использовать. Провести в сжатые сроки весь комплекс исследований на своих мощностях было проблематично, и атомщики обратились за помощью к коллегам из атомных вузов и НИИ. Первым в проект вошел МИФИ. В 2020 году он изготовил для НИИЭФА установку для исследований пленочных материалов и создания технологии их производства.

«Как показали эксперименты, новые накопители ведут себя иначе, нежели аналогичные по химическому составу, но объемные материалы, — ​продолжает Дмитрий Карпов. — ​Отличительной особенностью установки является то, что все процессы проходят без разгерметизации: получение пленок, насыщение их водородом, анализ кинетики насыщения и выделения водорода. Это важно, потому что малейшее присутствие кислорода пагубно сказывается на способности пленки поглощать и выделять водород. В настоящее время в НИЯУ «МИФИ» идут исследования пленочных материалов на этой установке».

«Твердотельные накопители вообще и ленточные в частности — ​новое, активно развивающееся направление. Наша установка позволяет всесторонне изучить поведение водорода в металлических пленках, в том числе особенности его термодесорбции, а также исследовать пленки различного состава и проанализировать зависимость их свой­ств от параметров процесса изготовления. В отличие от аналогов, наша система позволяет полностью контролировать все условия процесса, что поможет подобрать оптимальные материалы и режимы обработки», — ​подчеркнул профессор института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ» Александр Писарев.

Выделение водорода внутри накопителя происходит путем термодесорбции, то есть за счет нагрева гидрида. В отличие от металлического порошка, обладающего низкой теплопроводностью, тонкую металлическую ленту можно быстро нагреть, пропустив через нее ток. Это делает ленточные накопители намного более удобными, чем порошковые, и позволяет увеличить КПД водородного генератора. В большинстве методов изготовление пленок и их зарядка водородом — ​две разные стадии процесса. Новая установка помогла исследовать возможность одновременного осаждения металла и газа, что позволило достичь серьезной экономии ресурсов и времени при производстве.

«Обычно пленки вначале напыляют на подложку, а затем насыщают водородом в газе при большом давлении. Мы считаем, что насыщенные водородом пленки можно вырастить путем напыления водород-­активного металла в атмосфере водорода, в результате чего сразу получается продукт, готовый к установке в топливный картридж, — ​поясняет Александр Писарев. — ​Наша установка поможет разобраться с этим и рядом других вопросов в исследованиях ленточных накопителей водорода».

Подняли давление

Второй контракт НИИЭФА заключил с Томским политехом. На создание опытного образца автоматизированного комплекса по наводораживанию и десорбции материалов ушло полтора года. Комплекс состоит из управляющего компьютера, системы измерения термодинамических параметров, систем управления газовым трактом и подачи газов, самого газового тракта, устройства для откачки газов, масс-спектрометра, реакционной камеры и трубчатой печи.

«Комплекс работает как в ручном, так и в полностью автоматическом режиме. Высокой точности определения количества водорода в материалах-накопителях нам удалось добиться за счет ряда оригинальных инженерных решений и программного обеспечения для обработки полученных данных. Вся разработка и сборка проходила полностью на базе Томского политеха», — ​отмечает Виктор Кудияров.

Готовый комплекс томичи доставили в Санкт-Петербург в сентябре 2021 года. «Мы активно проводим на установке исследования различных материалов-накопителей на основе сплавов магния, титана и ванадия, — ​говорит Дмитрий Карпов. — ​Раньше новые пленочные материалы-накопители мы изучали в своей лаборатории на установке, собранной своими силами. Давление в ней можно было поднять только до 10 атмосфер, а температуру — ​не больше чем до 500 °C. Теперь у нас есть машина, которая позволяет повысить давление до 50 атмосфер, а температуру увеличить до 900 °C. Это открывает новые возможности по повышению уровня насыщения пленочных материалов водородом. Кроме того, на новой установке мы стали работать гораздо быстрее. Все процессы автоматизированы, результат в виде графиков получаем сразу после проведения работ. Раньше нужно было делать расчеты вручную шаг за шагом».

Сотрудничество вуза и НИИЭФА не ограничивается разработкой и изготовлением комплекса. Ученые ТПУ также проводят для института научные исследования. По техническому заданию заказчика они изучают поведение новых пленочных материалов — ​тех, которые легко поглощают и отдают водород, и устойчивых к его воздействию.

«Мы изучаем свойства материалов для хранения водорода, в первую очередь пленочных накопителей на основе металлических гидридов. Проводим для заказчика исследования сорбционных и десорбционных характеристик материалов — ​накопителей водорода. Получаем данные о максимальной емкости по водороду, циклической стабильности, — ​перечисляет Виктор Кудияров. — ​Все эти характеристики влияют на условия эксплуатации материалов при их применении. В ходе экспериментов мы выяснили, что некоторые материалы неперспективны, и отмели их, другие же, наоборот, годятся для наших целей, продолжаем с ними работать».

По всей водородной цепочке

Университет реализует несколько собственных проектов по водородному направлению, поэтому дополнительные данные нужны постоянно. В Томском политехе ведут разработки в области создания композитов на основе металлических гидридов и металлоорганических каркасных структур для очистки и хранения водорода, разрабатывают устойчивые материалы для работы в среде водорода, автоматизированные комплексы и испытательные стенды для оценки свойств материалов для водородной энергетики.

«Мы активно работаем над созданием новой установки с существенно более высоким максимальным рабочим давлением газа для исследования материалов и систем хранения водорода при очень высоких давлениях, — ​рассказывает Виктор Кудияров. — ​Кроме того, одно из важных направлений водородной энергетики — ​получение очень чистого водорода из газовых смесей. Сейчас разрабатываются материалы, которые будут способны это сделать. При их создании нужна экспериментальная база. Мы хотим, чтобы наша установка использовалась при изучении свой­ств материалов для очистки и разделения водорода».

Томский политехнический университет — ​участник национальной программы поддержки вузов «Приоритет‑2030» по треку «Исследовательское лидерство». Среди ключевых стратегических проектов университета — ​«Энергия будущего». Одно из направлений проекта — ​технологии для водородной энергетики.

Водородными технологиями в ТПУ занимаются более 40 лет. Ученые вуза проводят фундаментальные и прикладные исследования по всей водородной цепочке — ​в области получения чистого водорода, безопасного хранения, транспортировки водорода с наименьшими потерями, а также в области его применения в качестве энергоносителя в системах автономного электроснабжения.

Среди разработок ТПУ — ​технологии получения водорода из природного газа и путем переработки биомассы, получения эффективных материалов — ​накопителей водорода, водородных топливных элементов на основе полимерных мембран.

В 2020 году по инициативе Томского политеха и еще пяти вузов и исследовательских центров был создан Консорциум водородных технологий. К нему присоединились 22 российских вуза и академических института.