Hvordan Orto-para Hydrogen Omvandling Påvirker Væskefasen av Hydrogen i Flytende Tilstand

I prosessen med hydrogenflytning er konverteringen av orto-hydrogen til para-hydrogen et kritisk aspekt som påvirker både effektiviteten og lagringstiden for flytende hydrogen. Orto-hydrogen og para-hydrogen er to ulike tilstander av hydrogenmolekylet, basert på spinretningen til atomene i molekylet. Orto-hydrogen har parallelle spinnretninger, mens para-hydrogen har antiparallell spinnretning. Denne forskjellen i spinning mellom de to isotopene fører til forskjellige energinivåer, og dermed forskjellige egenskaper i flytende form.

I industrielle prosesser, som ved hydrogenflytning, er det avgjørende å benytte orto-para-hydrogen-konvertere for å forhindre rask fordampning. Denne omdannelsen utføres under flytning, hvor konverteringsvarmen absorberes av omgivende flytende hydrogen. Katalysatorer, som krom-nikkel og jernhydroksid, brukes for å akselerere omdannelsesprosessen. Krom-nikkel-katalysatorene krever forbehandling ved 150 °C med hydrogen for aktivering, men de kan lett antennes og forårsake irreversibel skade. På den annen side er jernhydroksid-katalysatorer mer robuste, om enn mindre effektive.

For å øke effektiviteten i orto-para konvertering på storskala, deles prosessen vanligvis inn i flere trinn. I første trinn, ved 80 K, kan omtrent 50% av orto-hydrogenet omdannes til para-hydrogen ved hjelp av forhåndskjølt flytende nitrogen eller kaldt hydrogen-gass. Deretter, i det andre trinnet ved 20 K, omdannes nesten all orto-hydrogen til para-hydrogen. Under hele denne prosessen skjer ikke en direkte splittelse av molekylene, men en reorientering av hydrogenmolekylene via kjernespenning.

Joule-Thomson-effekten er et annet fenomen som spiller en rolle i hydrogenflytning. Denne effekten beskriver hvordan en gass kjøles ned (eller varmes opp, avhengig av gassens egenskaper) når den utvides gjennom en liten åpning, under isenthalpiske forhold. For de fleste gasser vil en utvidelse føre til en temperaturreduksjon, men for enkelte gasser som hydrogen og helium, vil temperaturen stige. Hydrogen har en meget lav transformasjonstemperatur på 204.6 K (-68.55 °C) ved atmosfærisk trykk, som er en av hovedårsakene til temperaturstigninger under høytrykks hydrogenpåfylling ved romtemperatur. Dette betyr at høytrykks hydrogen må kjøles ned grundig før det kan utvides og liquefieres effektivt.

Flytende hydrogen krever store mengder energi for å oppnå, der den største energibruken går med til kjøling – både for hydrogenet selv og for konverteringen av orto- til para-hydrogen. I tillegg kreves energi for komprimering av væsken. Teoretisk sett anslås minimum energiforbruk for flytning av hydrogen til 3.92 kW·h/kg H2, men på grunn av uunngåelige varmetap ligger faktisk energiforbruk mellom 6.5 og 15 kW·h/kg H2, avhengig av systemets skala og isolasjonseffektivitet.

Flytning av hydrogen har flere karakteristiske trekk. For det første må hydrogenet forhåndskjøles til under kritisk temperatur før det kan omdannes til væske. For det andre er effektiv isolasjon avgjørende for å hindre varmetap under prosessen. I den flytende tilstanden ved 20 K vil de fleste gasser fryse, og derfor må alle urenheter, bortsett fra helium, fjernes før flytning. Endelig må materialene som brukes i systemene for flytning av hydrogen være ekstremt motstandsdyktige mot ekstremt lave temperaturer.

Denne prosessen er både energikrevende og teknisk utfordrende, men nødvendig for å oppnå den lagrings- og transportkapasiteten som trengs for flytende hydrogen som en praktisk energikilde.

Hvordan forbedre hydrogengassens renhet og effektiviteten til PEM brenselceller gjennom ulike metoder

En vanlig prosess innebærer at gassen først går gjennom en vasketank for syrevask eller vannvask, som kan kjøle ned og fjerne alkaliniteten i hydrogengassen. Restene av alkali som ikke er fullt absorbert, blir deretter fjernet av en inertial gas-væske-separator, som benytter sentrifugalkraft for å skille ut forurensningene. Til slutt benyttes porøse absorbenter, som aktivt kull, for å fjerne eventuelle alkaliske væsker som kan ha blandet seg med hydrogenet. Denne prosessen fjerner de fleste alkaliske urenhetene, og sikrer en høyere renhet på hydrogengassen.

Når det gjelder kompatibilitet med brenselceller, kan et hydrogensystem basert på NaBH4-hydrolyse inkludere flere komponenter, som en drivstofftank, en katalysatorreaktor, varme- og kjøleenheter, samt en waste tank for det dannede NaBO2. Hydrogengassen og den dannede natrium-metaboraten returneres til drivstoffkammeret etter den første kondensasjonen, og drivstoffet brukes videre til brenselcelledrift. Denne typen systemer er kompakte, har lav vekt og høy romutnyttelse, men de møter visse utfordringer som termisk nedbrytning av natriumborhydrid på grunn av temperaturøkning, samt dårligere gassrenslighet som kan redusere levetiden til PEM-brenselcellen. Videre kan endringer i drivstoffkonsentrasjonen under reaksjonsprosessen føre til en redusert produksjonshastighet av hydrogen og lavere ytelse på brenselcellene, noe som også gjør det vanskeligere å kontrollere systemdriften.

I tillegg til disse renseteknologiene, er det ulike materialer som kan forbedre lagringen og frigjøringen av hydrogen, som lettmetall-aluminohydrider. Disse forbindelsene, som LiAlH4 og NaAlH4, danner sterke kovalente bindinger mellom hydrogenatomene og aluminiumatomene, og de kan lagre store mengder hydrogen. Men til tross for deres potensial, er de praktiske anvendelsene fortsatt begrenset av høye dekomponeringstemperaturer og vanskeligheter med å oppnå reversibel hydrogenabsorpsjon. For å forbedre disse systemene, er det pågående forskning på å tilsette overgangsmetaller som Ti, Fe og Ni, eller å behandle materialene på nanoskala for å redusere dekomponeringstemperaturen og forbedre reversibiliteten.

Et viktig aspekt ved forbedring av hydrogenlagring og -frigjøring er de termodynamiske og kinetiske barrierene som finnes i dagens systemer. For eksempel, i LiAlH4, som frigjør hydrogen i flere trinn ved høye temperaturer, er det krevende å oppnå de nødvendige forholdene for reversibel hydrogenabsorpsjon, spesielt med tanke på høyt trykk. Modifikasjoner som katalysatorinnsetting har vist seg å være en lovende vei for å senke dekomponeringstemperaturen og gjøre hydrogenfrigjøring mer effektiv ved lavere temperaturer.

Det er viktig å merke seg at disse teknologiene for hydrogenlagring og -produksjon er i konstant utvikling. Mange av de aktuelle utfordringene knytter seg til å finne kostnadseffektive løsninger som samtidig gir tilstrekkelig sikkerhet, ytelse og praktisk anvendbarhet. For å realisere de potensielle fordelene med disse systemene, er det nødvendig med videre forskning på materialer, prosessforbedringer og integrasjon av flere teknologier for hydrogenproduksjon og -lagring.

Hvordan utviklingen av høytrykks hydrogensystemer forbedrer transportkapasiteten og lagringseffektiviteten

Hydrogen som energikilde har fått økt oppmerksomhet de siste årene, spesielt med tanke på dens potensiale til å erstatte fossile brensler i transportsektoren. For at hydrogen skal kunne utnyttes effektivt som drivstoff for brenselcellekjøretøy og andre industrielle applikasjoner, er utvikling av effektive lagrings- og transportmetoder avgjørende. En av de største utfordringene ligger i å oppnå høy lagringstetthet både i vekt og volum. For å møte disse utfordringene har forskning og teknologiutvikling innen høytrykks hydrogentanker gått i en imponerende retning, noe som åpner opp for mer effektive og kostnadseffektive løsninger for både transport og lagring.

Et annet stort mål har vært å forbedre både vekt og volum på hydrogenlagring, spesielt for kjøretøy som drives av hydrogenbrenselceller. I 2003 la det amerikanske energidepartementet (DOE) frem spesifikasjoner for hvor mye hydrogen som skulle lagres per systemvekt og volum, og satte ambisiøse mål for 2020 og 2025. Disse målene har blitt justert i takt med teknologisk utvikling, og de nåværende målene er å nå en massehydrogenlagring på 6,5 % vektprosent og en volumetthet på 50 g/L. For å oppnå disse målene kreves det at lagringsbeholderne er lette, samtidig som de må tåle høyt trykk for å maksimere lagringskapasiteten.

Denne utviklingen er ikke begrenset til bare noen få aktører. Japan Automobile Research Institute utviklet kompositt-høytrykks hydrogensystemer som kan håndtere trykk på 35 og 70 MPa. Likevel har de sett at lagringseffektiviteten ved 70 MPa er kun 60 % høyere enn ved 35 MPa, noe som viser at det fortsatt er utfordringer med tetthet og forsegling som må løses før de kan utnytte denne teknologien fullt ut. Toyota og Hyundai har allerede integrert 70 MPa tankene i sine modeller, som "Mirai 2" og "Nexo", og økt hydrogenlagringstettheten til henholdsvis 6,0 vektprosent og 5,7 vektprosent.

I Kina har utviklingen også vært i gang siden 10. femårsplan, og flere universiteter og institutter har startet produksjon av hydrogenlagringstanker med trykk på opptil 70 MPa. Disse tankene brukes nå i forskjellige brenselcelledrevne kjøretøy, som Roewe 950, som er utviklet av SAIC.

Selv om det er betydelige fremskritt, er det fortsatt flere faktorer som påvirker utviklingen. For det første er hydrogen en ideell gass ved høye temperaturer og lavt trykk, men når trykket øker, avviker det fra de ideelle egenskapene, og en mer kompleks tilnærming som tar høyde for gassens komprimeringsfaktor er nødvendig. Dette gjør at lagring ved høyt trykk krever mer avanserte materialer og strukturer for å forhindre lekkasje og samtidig opprettholde sikkerheten. Teknologiens videre utvikling vil avhenge av evnen til å balansere trykk, volum og kostnadseffektivitet, spesielt med tanke på kommersielle applikasjoner.

For at bruken av hydrogen som energikilde skal bli mer utbredt, må flere faktorer integreres: Effektive lagringsløsninger, utvikling av trykkbeholdere med høy kapasitet og optimalisering av transportmetodene. Videre må sikkerheten i høyt trykk håndteres forsvarlig for å sikre at hele systemet er økonomisk og teknologisk bærekraftig. I tillegg vil bruken av lettere, mer kompakte materialer gjøre det mulig å lagre mer hydrogen på mindre plass, og dermed øke bruksområdet for hydrogenbrenselceller på lang sikt.