КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-00220

НазваниеПолучение высокочистого водорода с помощью мембранного модуля на основе никелевых мембран

РуководительТропин Евгений Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые словаВодород, водородный транспорт, мембранный модуль, сепарация, производство водорода, никель

Код ГРНТИ44.31.39

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение проблемы получения высокочистого водорода, который затем может быть использован как топливо для топливных элементов с протонообменной мембраной. Выбросы от транспортных средств вносят наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха, особенно в крупных городах. Для снижения количества выбросов предлагается перевести хотя бы часть транспортных средств на топливные элементы, в частности, элементы с протонообменной мембраной. Наряду с очевидными преимуществами существенным ограничением этого типа устройств является необходимость использования в качестве топлива водорода высокой степени чистоты (не менее 99.5 об. %). Современные методы получения и сепарирования водорода преимущественно ориентированы на крупнотоннажное непрерывное производство, в то время как потребность в водородном топливе для транспортных средств меняется в зависимости от сезона, обстоятельств владельцев транспорта и других факторов, а долговременное хранение водорода сопряжено с его серьезными потерями из-за высокой летучести и проникающей способности. Поэтому существует потребность в компактных установках для получения водорода высокой степени чистоты, способных с высокой эффективностью и быстрым выходом на рабочий режим производить относительно небольшие количества водорода (порядка нескольких Нм3 в сутки), который затем будет либо незамедлительно утилизироваться в топливном элементе на борту транспортного средства, либо храниться в сжатом виде относительно недолгое время. Такие установки должны включать в себя реактор для получения богатых водородом газовых смесей, например, в результате каталитического риформинга углеводородсодержащего сырья, а также устройства для селективного сепарирования водорода. Мы предлагаем использовать в качестве такого устройства мембранные модули, состоящие из водород-селективных мембран на основе капилляров из металлического никеля. Геометрические размеры производимых промышленно никелевых капилляров позволяют достичь высокой плотности их упаковки в устройстве и тем самым уменьшить его размеры. Никель как мембранный материал обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными материалами мембран: относительно низкой стоимостью, высокой коррозионной устойчивостью и стабильностью характеристик в температурном диапазоне работы каталитических риформеров, практическим отсутствием явления водородного охрупчивания и т.д. В ходе реализации проекта планируется создание модифицированных мембран на основе никелевых капилляров, исследование механизма транспорта водорода и поиск путей повышения потока водорода через них. Предлагаются подходы по созданию надежной и долговечной герметизации мембран. По итогам подробного исследования единичных мембран и способов их коммутации будет собран и испытан прототип мембранного модуля, сочетающий в себе компактность, надежность, эффективность и низкую стоимость материалов. Также будут сформулированы рекомендации по сборке модулей большей производительности. Реализация проекта поможет в решении проблемы производства водорода высокой степени чистоты и снижении загрязнения атмосферного воздуха выбросами транспорта.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации данного проекта будут проведены исследования водородной проницаемости единичных мембран из металлического никеля трубчатой формы (капилляров) с различной толщиной стенки и морфологией поверхности, полученных с помощью механической полировки, а также химического травления поверхности промышленных никелевых капилляров. Будут проведены исследования механизма транспорта водорода через никелевые мембраны путем изучения зависимости водородных потоков от толщины стенки мембраны, а также с использованием полуэмпирической математической модели, учитывающей микроструктурные и геометрические особенности мембран. На основе полученных данных будет оценено влияние модификации толщины стенки и морфологии поверхности на увеличение водородных потоков через мембрану. На основе экспериментальных данных, полученных на единичных мембранах, будет собран мембранный модуль, состоящий из 20-25 единичных мембран. В данном проекте будет реализован способ упаковки единичных никелевых мембран в модуле, при котором мембраны не соприкасаются друг с другом. Будут испытаны несколько типов материалов для герметизации мембран, выявлены их преимущества и недостатки. На смесях газов, имитирующих состав газовой фазы на выходе из реактора паровой/углекислотной конверсии метана, либо на выходе из реактора пиролиза твердого топлива будут определены характеристики мембранного модуля: молярный поток и чистота получаемого водорода, селективность мембраны, степень извлечения водорода, степень конверсии метана. Будут проведены эксперименты по оптимизации производительности модуля в зависимости от температуры, разности парциальных давлений водорода, состава газовой смеси на входе в модуль. Будет оценено соотношение между потоком водорода и геометрическими размерами, массой модуля, а также потребляемым модулем количеством электроэнергии. Дизайн модуля будет разработан таким образом, чтобы выявить возможные проблемы и предложить пути их решения на всех этапах работы от подготовки единичных мембран до долговременных испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям работы устройства. На основе полученных данных будут даны рекомендации по сборке модулей большей производительности. Значимость результатов заключается в том, что они помогут в разработке компактных, надежных и эффективных установок получения высокочистого водорода в количествах, достаточных для ежедневного питания топливных элементов в домах или в автомобильном транспорте. Результаты проекта будут оформлены в виде 2 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science или Scopus.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведена аттестация приобретенных капилляров из металлического никеля комплексом физико-химических методов; С помощью оригинальных методик механической полировки и химической обработки поверхности капилляров получены модифицированные единичные селективные мембраны; Проведено исследование водородной проницаемости мембран в зависимости от их параметров, температуры, парциального давления водорода в газовой смеси; Определен механизм водородного транспорта через никелевые мембраны с помощью компьютерного моделирования, рассчитаны кинетические параметры транспорта водорода; Определено влияние способов модификации поверхности и толщины стенки мембран на величину потока водорода через них.

 

Публикации

1. Тропин Е.С., Шубникова Е.В., Брагина О.А., Немудрый А.П. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕРХЧИСТОГО ВОДОРОДА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЕВЫХ КАПИЛЛЯРОВ Электрохимия, - (год публикации - 2023)

2. Шубникова Е.В., Тропин Е.С., Лапушкина Е.Ю., Бычков С.Ф., Немудрый А.П. Hydrogen permeability of nickel capillaries: mathematical modeling and experimental verification Engeneering Research Express, 5 (1) 015039 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/2631-8695/acbd88

3. - Поздравляем молодых ученых Института с победой в конкурсах на получение грантов Российского научного фонда! Сайт ФГБУН ИХТТМ СО РАН, Новости на сайте с указанием гранта РНФ (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Собран прототип мембранного модуля на основе двадцати единичных никелевых капиллярных трубок для получения водорода высокой степени чистоты из газовых смесей. Систематически исследованы зависимости потока водорода, а также степени его извлечения из газовых смесей от температуры, давления водорода, скоростей потоков газовой смеси и продувочного газа. Определены оптимальные значения параметров, в области которых должен функционировать мембранный модуль для достижения максимальных значений потока водорода и степени его извлечения. Разработана математическая модель потока водорода через стенки капиллярных плотных металлических трубок, учитывающая неоднородное распределение температуры и парциального давления водорода вдоль трубки. Представленная модель позволяет а) на основе экспериментальных данных по потоку водорода рассчитать кинетические параметры транспорта водорода с учетом неоднородности распределения давления водорода и температуры и б) по известным значениям кинетических параметров транспорта водорода рассчитать оптимальные параметры работы мембранного модуля (количество единичных мембран с учетом их длины, диаметра, толщины стенки, нужное для получения требуемого объема водорода и оптимальную скорость потока газовой смеси для достижения приемлемых значений одновременно и потока водорода и степени его извлечения из газовой смеси).

 

Публикации

1. Тропин Е.С., Гонгола М.И., Немудрый А.П. Моделирование потоков водорода из газовых смесей через никелевые капилляры с учетом неоднородности распределения температуры Химия в интересах устойчивого развития, - (год публикации - 2024)

2. Тропин Е.С., Шубникова Е.В., Брагина О.А., Немудрый А.П. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕРХЧИСТОГО ВОДОРОДА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЕВЫХ КАПИЛЛЯРОВ Сборник тезисов докладов. Третья школа молодых ученых "Электрохимические устройства: процессы, материалы, технологии", стр. 73 (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
Работы, проведенные за два года Проекта, имеют непосредственную возможность их практического использования. Водород высокой степени чистоты сегодня широко востребован в таких сферах, как нефтепереработка, химическая промышленность (производство аммиака, метанола, уксусной кислоты и др.), металлургия (производство стали, никеля, меди), автомобильная промышленность и производство микроэлектроники Помимо этого, водород начинает играть все более значимую роль в энергетике, где используется в качестве топлива двигателей автомобилей, морских и воздушных судов, а также топливных элементов различных типов. Учитывая, что абсолютное большинство синтез-газа и в дальнейшем водорода производится в России и мире с помощью таких крупнотоннажных и хорошо отработанных методов, как паровая либо углекислотная конверсия природного газа, особую актуальность приобретает развитие мембранных технологий для дальнейшего отделения водорода от углеводородсодержащих примесей. Объекты исследования – никелевые капиллярные трубки – выбраны с учетом наличия их производства промышленными методами в России. Такие трубки дешевы, их качество закладывается при производстве по отработанной десятилетиями технологии холодного волочения. Относительно высокая толщина стенки (50 микрометров и более) позволяет использовать высокие давления водородсодержащих газовых смесей, что приводит к повышению потока чистого водорода. Геометрия тонких капиллярных трубок позволяет создать их высокую плотность упаковки в относительно компактных мембранных модулях, достигая очень высоких значений суммарной площади мембран. При работе по проекту сделаны шаги к практическому использованию никелевых капилляров как водородселективных мембран. Аттестованы и систематически исследованы как индивидуальные капилляры, так и прототип мембранного модуля, содержащий 20 единичных мембран. Определены оптимальные режимы работы мембранного модуля для достижения высокого выхода водорода и высокой степени его извлечения из газового сырья. Было активно использовано компьютерное моделирование, без применения которого невозможно спроектировать эффективный мембранный модуль с «длинными» единичными мембранами и которое открывает путь к созданию цифровых двойников мембранных устройств. Таким образом, полученные при реализации Проекта результаты могут быть непосредственно использованы для создания в России мембранной технологии получения высокочистого водорода для химических и энергетических приложений.