Скептики вздыхают, что создание национальной сети получения и распределения водорода стоит сотни миллиардов долларов. В настоящее время существуют только несколько водородных заправочных станций. Кроме того, эксперты обращают внимание на то, что заправка автомобилей водородом потребует специальных мер безопасности. Например, насос должен иметь эффективное заземление. В ответ на это сторонники применения водорода утверждают, что проблема доступности водорода станет менее острой после внедрения топливных элементов в автотранспорте, однако неизвестно, что должно появиться ранее, лошадь или телега.
И в то же время, хоть водород по массе обладает наивысшей теплотворной способностью (в три раза больше бензина), учитывая его невысокую объемную плотность чрезвычайно трудно запастись достаточным его количеством в емкости обычного размера. Эта проблема не стоит остро в автобусах или грузовиках, но в легковых автомобилях ее следует учитывать.
В приемлемых габаритах коммерчески доступные баллоны с давлением газа 24 Мпа при полном наполнении водородом обеспечивают пробег автомобилю 190 км . Это не так уж и много. Кроме того, учитывая, что атом водорода – наименьший среди всех веществ, он обладает высокой проницаемостью через стенки и уплотнения, что создает проблемы с безопасностью.
Даймлер-Крайслер и General Motors недавно применили в своем автомобиле для хранения водорода криогенную емкость, но хранение жидкого водорода в криогенной емкости при температуре 20 К (-253 градуса С) приводит к излишнему весу, сложности системы и проблемам с безопасностью. Многие эксперты считают, что через какое-то время в будущем придут к непосредственному использованию водорода. Специалисты фирмы Honda считают, что в скором будущем водород будет храниться на борту автомобиля в сжатом виде. Перезарядку емкости можно быстро осуществить, при этом емкость будет обеспечивать достаточный запас хода.
Простейшим способом для размещения на борту автомобиля большого запаса водорода является сжатие его до большего давления. В этом направлении уже достигнут определенный прогресс. Исследователи IMPCO Technologies Inc’s Advanced Technology Center in Irvine, CA объявили о предстоящих испытаниях разработанного ими нового регулятора расхода водородной емкости. Новый запатентованный регулятор расхода H2R 5000 представляет прибор, который может работать при давлении до 34 МПа. Фирма также работает над созданием ультралегкой трехслойной конструкции баллона для хранения водорода, способной выдерживать давление до 69 МПа. На эту работу министерство энергетики США выделило более 3,5 млн. долларов из федерального бюджета. Фирма IMPCO надеется создать коммерчески пригодную конструкцию баллона для хранения водорода, способного запасать 7,5 % водорода по массе. При общей массе баллона 65 кг, баллон будет вмещать количество водорода, которое позволит автомобилю преодолеть 645 км. Компания начнет проработку конструкции баллона, способного вместить 8,5% водорода по массе. Недавно исследователи IMPCO вместе с коллегами из Lawrence Livermore National Laboratory and Thiocol Propulsion показали емкость, способную вмещать 11,3% водорода по массе.
Алтернативой является такое конструирование автомобиля, чтобы в его корпусе были предусмотрены полости специальной формы для размещения водородных емкостей.
Вторым способом хранения водорода на борту автомобиля является использование материалов, которые способны при определенных условиях поглощать водород и хранить его в своей кристаллической структуре (металлгидриды) и выделять его при нагревании. Определенные успехи получены в этом направлении в смысле увеличении количества водорода, запасаемого в кристаллической структуре например, в окиси магния. Но пока это количество слишком мало. Тем не менее , хотя эта технология перспективна, не следует ожидать в ближайшие годы прорыва. При этом следует учитывать не только вес запасаемого водорода, но принимать во внимание энергетику процесса. Если используется адсорбционный процесс, надо учитывать количество теплоты, которое необходимо сообщить адсорбенту в процессах поглощения и выделения водорода. Эта энергия должна входить в уравнение энергии и понижает энергетический эффект получения электричества.
В схемах с химическими гидридными накопителями стабильные соединения, такие как гидриды бора, натрия и кальция, используют для выделения из воды водорода в каталитических реакторах. Фирма Powerballe Industries of West Valley City, UT, разработала натрийгидридную накопительную систему, в то время как фирма Millenium Cell Inc. Of Eatontown, NJ, использует гидроборид натрия. Проблемой остается общая масса системы и проблема удаления побочных продуктов реакции, которые в большинстве случаев трудно рециклировать.
Металлгидридные аккумуляторы водорода
Energy Conversion Devices inc. (ECD) разработала технологию хранения водорода на борту автомобиля, которая может стать ключевой в создании автомобилей на топливных элементах с нулевым выбросом вредных веществ. Эта технология относится к металлгидридам – веществам, которые при определенной температуре накапливают атомы водорода в своей кристаллической структуре и удерживают их там при понижении температуры. Водород выделяется при нагревании металлгидрида. Сосуд емкостью 120 л , содержащий 120 кг магнийсодержащей металлгидридной пудры, может запасать 6 кг водорода, которого достаточно для пробега автомобиля с батареей топливных элементов около 400 км. В одном литре объема такого металлгидридного аккумулятора содержится 103 г водорода.
В большинстве автомобилей с водородом в качестве топлива чистый водород размещался либо в жидком виде в криогенной емкости (при температуре –253 ° С) или в сжатом состоянии до 34 МПа в баллоне. Криогенный бак содержит 31 г водорода в каждом литре объема. Баллон с водородом, сжатым до давления 34 МПа, содержит 71 г водорода в каждом литре объема.
Обычно металлгидридный аккумулятор состоит из трех компонентов: водорода, запасающего металла и пространства, в котором протекают реакции. Водородозапасающий материал находится в виде рыхлой, сухой пудры. Водород, поступающий в аккумулятор, поглощается пудрой. Молекула водорода диссоциирует на атомы водорода, которые, проникая в кристаллическую решетку молекул металлической пудры, образуют металлгидрид. Теплота является управляющим фактором. Охлаждение прекращает адсорбционный процесс. Нагревание изменяет направление химической реакции и вызывает освобождение атомов водорода и образование молекул водорода.
В металлгидридном аккумуляторе, разработанном фирмой ECD , водород нагнетается в бак, который содержит стеллаж канистр, наполненных пудрообразным сплавом на основе магния , спрессованным в брикеты. Система работает при сравнительно низком давлении – около 2.4 МПа . Газ выделяется при температуре 286° С, причем теплота для нагревания металлгидрида до этой температуры обеспечивается каталитическими горелками каждой канистры. До 20 % водорода поглощается при нагревании металлгидрида до температуры, требуемой для выделения водорода. В дальнейшем теплоту на поддержание реакции выделения водорода из металлгидрида будет обеспечивать батарея топливных элементов. Система хранения водорода содержит теплообменник и высокоэффективную тепловую изоляцию. Специалисты фирмы отработали технологию, обеспечивающую более 2000 циклов наполнение-выделение, что соответствует нескольким сотням тысяч миль пробега автомобиля.
До настоящего времени металлгидридные аккумуляторы обеспечивали по массе 2-3 % водорода от массы аккумулирующего вещества (2-3 г водорода на 100г гидрида). Разработанный фирмой ECD аккумулятор обеспечивает зарядку водородом 7% от массы гидрида (7г водорода на 100г гидрида).
В настоящее время исследователи фирмы ECD ищут пути для увеличения количества водорода, запасаемого металлгидридным сплавом на основе магния. Одним из способов увеличения количества поглощаемого водорода является увеличение активной поглощающей поверхности порошка увеличением его пористости и введением в небольших количествах добавок углерода и других веществ. Одним из недостатков металлгидридных накопителей водорода является то, что часть энергии расходуется в циклическом процессе зарядки - выделение. Задачей является как лучше запасти энергию, чтобы общий КПД системы был наибольшим. Следующей проблемой является сокращение времени зарядки аккумулятора.
В центре внимания создателей металлгидридного аккумулятора по-прежнему остаются снижение его размеров и массы, а также стоимости. Магний –гидридная пудра стоит примерно 4$ за фунт, поэтому только магниевый порошок увеличит стоимость автомобиля примерно на 1000$ . И хотя эта технология хранения водорода на борту автомобиля остается пока слишком дорогой, но ее можно довести до приемлемого уровня.
Существует и еще одна проблема, связанная с применением порошка на магниевой основе – проблема безопасности. Бортовой металлгидридный бак следует конструировать с учетом минимизации риска его разгерметизации и воспламенения, поскольку при работе магниевая пыль является взрывоопасной.
Компания TEXACO inc инвестировала почти 68 млн $ ECD, объяснив, что она давно интересуется разработками ECD в области топливных элементов и бортовых системах хранения водорода. Недавно ECD и Texaco Energy Systems Inc сформировали совместное 50/50% соглашение о внедрении и коммерциализации металгидридной технологии фирмы ECD. Согласно формулировкам этого совместного соглашения о внедрении, фирма ECD проработает перспективную технологию хранения водорода на борту в металлгидридном баке, а фирма Texaco Energy Systems обеспечит дополнительную технологическую поддержку и помощь в организации промышленного производства и фазы подготовки производства.