Сплавы-аккумуляторы водорода: экспериментальные исследования :: НПК ВИЭРТ

Сплавы-аккумуляторы водорода: экспериментальные исследования

Среди проблем, успешное решение которых позволит реализовать широкое внедрение водородной энергетики, ключевой является проблема эффективного и недорогого хранения водорода. Одной из перспективных технологий накопления и хранения водорода является металогидридная технология, заключающаяся в накоплении водорода в сплавах-накопителях с последующим выходом его при нагревании сплава.

Одним из видов сплавов, перспективных для использования в качестве накопителей водорода, являются сплавы вида Zr-V, главным образом соединения ZrV₂. Гидриды этих сплавов применяются в качестве источников чистого и активного водорода в различных плазменных процессах. Как правило, при этом используется соединение ZrV₂, полученное методом дуговой плавки и имеющее довольно крупнозернистую структуру.

Целью проведенных экспериментальных исследований являлось изучение влияния структуры и состава на свойства сплавов вида Zr-V как поглотителей водорода. Данная работа выполняется в сотрудничестве с ИФТТМТ

Для исследования были выбраны четыре состава: стехиометрический сплав ZrV₂, сплавы, которые находятся слева и справа (Zr_0.29V_0.71 и Zr_0.38V_0.62) от стехиометрии, а также эвтектический сплав Zr_0.6V_0.4. Каждый с составов исследовался как в быстрозакаленном, так и в литом виде.

Исследование водородной емкости сплавов при давлении до 3,5 атм проводилось волюмометрическим методом: в закрытом объеме образец сплава подвергали контакту с водородом.

Установка (см. Рисунок 1) состояла из рабочей камеры с исследуемым образцом, системы напуска, системы измерения давления, системы создания вакуума и регенерации образца. Рабочая камера представляет собой изготовленный из нержавеющий стали цилиндрический контейнер с образцом диаметром 10 мм и длиной 140 мм, который присоединяется к другим системам установки с помощью штуцерного соединения. При замене исследуемого образца нижняя часть цилиндрического контейнера срезается, образец заменяется и контейнер заваривается с помощью аргонно-дугового сваривания.

Рисунок 1 – Схема установки для исследования процессов взаимодействия водорода с разными материалами.

На рисунке 2 приведены характерные результаты масс-спектрометрических исследований процессов выделения водорода из наводороженных сплавов при нагревании в вакууме.

Рисунок 2 – Температурные кривые выделения водорода из наводороженных сплавов Zr-V в быстрозакаленном состоянии

Основные результаты проведенных исследований представлены ниже.

В Таблице 1 приведены максимальные количества водорода, десорбированного при температурах до 900°С по результатам масс-спектрометрических исследований.

Таблица 1 - Максимальное количество водорода, десорбированного при температурах до 900°С по данным масс-спектрометрического анализа.

Состав	Весовые % H
Zr_0,6V_0,4 эвт + H₂	2,38
ZrV₂ + H₂	2,308
Zr_0,37V_0,62 + H₂	2,86
Zr_0,28V_0,71 + H₂	2,97
Zr_0,6V_0,4 эвт FQ + H₂	1,758
Zr – V₂ FQ + H₂	1,16
Zr_0,37V_0,62 FQ + H₂	2,4
Zr_0,28V_0,71 FQ + H₂	2,776

FQ - Fast Quenched

Температура активации поглощения водорода существенно зависит от состава и структурного состояния сплавов. Минимальную температуру активации (100°С) имеет сплав состава Zr_0.29V_0.71 FQ, который находится в быстрозакаленном состоянии;

При насыщении сплавов Zr-V в области температур до 400°С независимо от состава и состояния основная часть водорода поглощается до давления 0,05 МПа;

Структурное состояние существенным образом влияет на взаимодействие сплавов с водородом. Анализ количества сорбированного сплавами водорода показывает, что во всех случаях больше водорода (до 2,7 весов%) поглощают литые сплавы;

Процессы выделения водорода также зависят от состава и состояния сплавов. Сложный характер этих процессов отображает многофазный характер исследованных сплавов.