Разработка автоматического учета температурного градиента в аппарате типа Сивертса для определения сорбционных свойств материалов накопителей водорода

В работе описана оптимизация прибора Сивертса для точного измерения взаимодействия водорода с материалами волюметрическим методом. Целью настоящего исследования является снижение влияния температурного градиента в аппарате типа Сивертса для получения точных и достоверных результатов измерений кинетики сорбции и десорбции в материалах – накопителях водорода. Были рассмотрены два метода учета влияния температурного градиента на содержание водорода. Первый метод заключался в искусственной сегментации газового тракта и определении температуры в каждом сегменте. Второй метод заключался в представлении общего объема газового тракта как двух динамических объемов горячей и холодной части. Экспериментально были получены параметры уравнения для расчета содержания водорода с учетом влияния температурного градиента для обоих методов. Затем была проведена автоматизация процессов сбора данных и расчетов температурного градиента для данных методов и сравнение результатов по применению этих методов. Наилучший результат был достигнут с использованием второго метода: максимальное отклонение составило 0,1 масс.% от начального количества газа. Практическая значимость исследования заключается в повышении точности определения массовой доли водорода в исследуемых материалах в процессе сорбции в аппаратах типа Сивертса.

1. . Broom D. P. The accuracy of hydrogen sorption measurements on potential storage materials. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 4871-4888. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.07.056

2. . Burress J., Bethea D., Troub B. Combination volumetric and gravimetric sorption instrument for high accuracy measurements of methane adsorption // Review of Scientific Instruments. – 2017. – Т. 88. – № 5. https://doi.org/10.1063/1.4982889

3. . Zhou D. et al. Thermal analysis and performance improvement of heat transfer in sample cell of Sieverts apparatus //International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Т. 50. – С. 61-70. https://doi.org/10.1016/j.jhydene.2023.06.211

4. . Gray E. M. A. Reliably measuring hydrogen uptake in storage materials // Solid-state hydrogen storage. – Woodhead Publishing, 2008. – С. 174-204. https://doi.org/10.1533/9781845694944.2.174

5. . Banerjee S., Ruz P. Synthesis and Characterization of Metal Hydrides and Their Application // Indian Institute of Metals Series. – 2021. – С. 785-830. https://doi.org/10.1007/978-981-16-1892-5_16

6. . Cheng H. H. et al. Design of PC based high pressure hydrogen absorption/desorption apparatus // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – №. 14. – P. 3046-3053. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.01.010

7. . Gray E. MacA., Webb C. J. Performance analysis of a Sieverts apparatus for measuring hydrogen uptake // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – P. 14628-14636. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.196

8. . Sheppard D. A. et al. Methods for accurate high-temperature Sieverts-type hydrogen measurements of metal hydrides // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Т. 787. – С. 1225-1237. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.067

9. . Canjura Rodriguez P., Gallandat N., Züttel A. Accurate measurement of pressure-composition isotherms and determination of thermodynamic and kinetic parameters of metal hydrides // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Т. 44. – № 26. – С. 1358313591. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.224

10. . Webb C. J., Gray E. MacA. The effect of inaccurate volume calibrations on hydrogen uptake measured by the Sieverts method // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – Т. 39. – № 5. – С. 2168-2174. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.11.121

11. . Parilla P. A. et al. Recommended volumetric capacity definitions and protocols for accurate, standardized and unambiguous metrics for hydrogen storage materials // Applied Physics A. – 2016. – Т. 122. – С. 1-18. https://doi.org/10.1007/s00339-016-9654-1

12. . Andreasen A. Design and building of a new experimental setup for testing hydrogen storage materials // Risø-Report. – 2005. – P. 52. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.32450.99527

13. . Checchetto R., Trettel G., Miotello A. Sieverttype apparatus for the study of hydrogen storage in solids // Meas. Sci. Technol. – 2003. – Vol. 15. – № 1. – P. 127-130. https://doi.org/10.1088/0957-0233/15/1/017

14. . Zhu H., Cheng H., Chen D., Ding Z. Development of compact and efficient volumetric apparatus for measuring absorption/desorption properties of hydrogen storage materials. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – P. 32565-32581. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.07.148

15. . Carrillo-Bucio J. L., Tena-Garcia J. R., Armenta-Garcia E. P., Hernandez-Silva O., Cabañas-Moreno J. G. Suárez-Alcántara K. Low-cost Sieverts-type apparatus for the study of hydriding/dehydriding reactions. // HardwareX. – 2018. – Vol. 4. – P. e00036. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2018.e00036

16. . Policicchio A. et al. Volumetric apparatus for hydrogen adsorption and diffusion measurements: Sources of systematic error and impact of their experimental resolutions // Review of scientific instruments. – 2013. – Т. 84. – №. 10. https://doi.org/10.1063/1.4824485

17. . Pyle D. S., Gray E. MacA., Webb C. J. A sieverts apparatus for measuring high-pressure hydrogen isotherms on porous materials // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Т. 42. – № 31. – С. 20111-20119. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.06.126

18. . Webb C. J., Gray E. MacA. Analysis of the uncertainties in gas uptake measurements using the Sieverts method // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – Т. 39. – № 1. – С. 366-375. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.155

19. . Demirocak D. E. et al. Volumetric hydrogen sorption measurements – Uncertainty error analysis and the importance of thermal equilibration time // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Т. 38. – № 3. – С. 1469-1477. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.11.013

20. . Sircar S., Wang C. -Y., Lueking A. D. Design of high pressure differential volumetric adsorption measurements with increased accuracy // Adsorption. – 2013. – Т. 19. – № 6. – С. 1211-1234. https://doi.org/10.1007/s10450-013-9558-8

21. . Charbonnier V. et al. How to evaluate hydrogen storage properties by Sieverts’ method in the pressure range up to 100 MPa // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – Т. 960. – С. 170860. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170860

22. . Kudiiarov V. N. et al. Application of automated complex Gas Reaction Controller for hydrogen storage materials investigation // Advanced Materials Research. – Trans Tech Publications Ltd, 2013. – Vol. 740. – P. 690-693. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.740.690

23. . Zhu H., Zhou D., Chen D., Cheng H. Design of ultra-efficient and automatically temperature-variable cycle (TVC) Sieverts apparatus for testing sorption properties of hydrogen storage materials // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 62. – P. 172-185. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.018

24. . Broom D. P., Webb C. J. Pitfalls in the characterisation of the hydrogen sorption properties of materials //International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Т. 42. – №. 49. – С. 29320-29343. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.028

25. . Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2023668766 Российская Федерация. Программный модуль автоматизации эксперимента построения изотермы давление-состав на аппарате типа Сивертса: N 2023668045: заявл. 04.09.2023: опубл. 04.10.2023 / Д. Е. Халеев; заявитель и правообладатель ФГАОУ ВО НИ ТПУ. – 1 с.