Анализ термодинамических характеристик металлогидридных систем для хранения водорода с использованием модифицированной схемы теории возмущений

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2019.03.044
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 22, № 3, 2019 (сентябрь)
Страницы 44-49

 

Авторы

В. В. Соловей, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: solovey@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-5444-8922

А. Н. Авраменко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: an0100@ukr.net, ORCID: 0000-0003-1993-6311

К. Р. Умеренкова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0002-3654-4814

 

Аннотация

Применение гидридов интерметаллических соединений (ИМС) для реализации рабочих процессов термосорбционных компрессоров, тепловых насосов, систем хранения, очистки и программируемой подачи водорода обусловлено рядом уникальных свойств этих сорбентов водорода. К ним, прежде всего, относится то, что насыщение ИМС с большой сорбционной емкостью происходит при сравнительно «мягких» термодинамических условиях, а также избирательность сорбционных процессов и наличие эффекта термодесорбционного активирования атомов и молекул изотопов водорода. Работа посвящена описанию фазовых равновесий в гидридах ИМС. Предложенный подход к проблеме расчета фазовых равновесий в металлогидридах состоит в определении свойств решеточного газа атомов Н и равновесной с ним молекулярной фазы Н2 в рамках единого метода – модифицированной теории возмущений. Термодинамическое описание водородной подсистемы в области неупорядоченных α-, β-фаз выполнено на базе модели неидеального (взаимодействующего) решеточного газа атомов водорода. При этом учтены как прямое взаимодействие между атомами водорода, так и косвенные «деформационные» вклады в потенциальную энергию вследствие расширения решетки при растворении водорода. Моделирование фазовых переходов в системах ИМС–водород на базе модифицированной схемы теории возмущений дает правильное описание основных особенностей фазовых диаграмм в широком диапазоне давлений водорода. Из условия равенства химических потенциалов Н-подсистемы гидрида и Н2-фазы (в расчете на атом Н) получены уравнения, связывающие давление газообразной фазы Н2 с параметрами гидрида с и Т (фазовые диаграммы). В предложенной вычислительной процедуре не используются подгоночные параметры или эмпирические корреляции, и она опирается на атомные характеристики водородной подсистемы и металлической матрицы, имеющие однозначный физический смысл. В качестве объекта исследования выбран гидрид интерметаллида LaNi5. Особый интерес представляет положение критической точки β→α-перехода в системе LaNi5-водород, для которой отсутствуют экспериментально полученные значения параметров. В работе приведены расчетные значения критических параметров β→α-перехода Тс=445 K, pc=87 атм. Определенные расчетным путем данные о термодинамических параметрах α→β-перехода (энтальпия, энтропия и давление на плато изотерм) позволяют описать растворимость водорода в LaNi5 при давлениях до 500 атм и хорошо согласуются с имеющимися в литературе экспериментальными данными.

 

Ключевые слова: водород, металлогидриды, интерметаллические соединения, фазовые диаграммы, решеточный газ.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Marinin V. S., Umerenkova K. R., Shmalko Yu. F., Lobko M. P., Lototsky M. V. Interacting lattice gas model for hydrogen subsystem of metal hydrides. Functional materials. 2002. Vol. 9. No. 3. P. 395–401.
  2. Marinin V. S., Shmalko Yu. F., Umerenkova K. R. Description of phase equilibriums in intermetallic compounds within the perturbation theory. Hydrogen Materials Sci. and Chemistry Carbon Nanomaterials. 2006. P. 187–192. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5514-0_23
  3. Маринин В. С. Теплофизика альтернативных энергоносителей. Харьков: Форт, 1999. 212 с.
  4. Яртысь В. А., Бурнашева В. В., Семененко К. Н. Структурная химия гидридов интерметаллических соединений. Усп. химии. 1983. Т. 52. № 4. С. 529-562.
  5. Водород в металлах: в 2-х т. (под ред. Г. Алефельда и И. Фёлькля). Мир, 1981. Т. 1. 475 с., Т. 2. 430 с.
  6. Shmalko Yu. F., Marinin V. S., Umerenkova K. R. Phase equilibriums in “hydrogen – metallic hydride” systems. Kharkov: KNU–IMBP, 2007.
  7. Van Mal H. H. Stability of ternary hydrides and some applications. Philips Research Reports Suppl. 1976. No. 1. P. 1–88.
  8. Biris A., Bucur R. V., Ghete P., Indrea E., Lupu, D. The solubility of deuterium in LaNi5. J. Less Common Metals. 1976. Vol. 49. P. 477–482. https://doi.org/10.1016/0022-5088(76)90059-X

 

Поступила в редакцию 09 апреля 2019 г.

Принята в печать