Мембрана для извлечения водорода: технологический прорыв в энергетической отрасли

В рамках своей профессиональной деятельности я долгие годы изучал транспорт водорода через металлические мембраны. Эти исследования позволили обнаружить новое физическое явление — сверхпроницаемость (superpermeability) металлических мембран по надтепловым (suprathermal) водородным частицам. 

При сверхпроницаемости через металлическую мембрану макроскопической толщины (например, 1 мм) проходят практически все падающие на ее поверхность водородные частицы, обладающие энергией масштаба 1 эВ или больше, тогда как обычно через мембрану такой толщины проходит не более одной молекулы водорода из 10 млн.

Другими словами, сверхпроницаемая мембрана по отношению к надтепловым водородным частицам ведет себя как дыра, пустое место. Это явление предполагается использовать в топливном цикле термоядерных реакторов, и в этом направлении сегодня идет интенсивная работа как в России, так и в Германии, США и Китае. 

Увы, поскольку водородная энергетика имеет дело с обычным тепловым водородом, применить сверхпроницаемые мембраны напрямую здесь невозможно. Но в ходе исследований сверхпроницаемости удалось выяснить, что металлом, через который перенос водорода происходит с рекордной скоростью, является ванадий, а не палладий, как представлялось ранее. В то же время палладий обладает замечательной способностью диссоциировать молекулы водорода на атомы, которые затем переносятся через металлическую решетку. 

Соответственно, для применения в сфере водородной энергетики были разработаны мембраны из сплавов ванадия, входная и выходная поверхность которых покрыты микронным слоем палладия. В процессе экспериментов также выяснилось, что палладий является наиболее подходящим элементом для создания водородопроницаемого сплава ванадия.

Мембраны из ванадиевого сплава с добавлением 5–10% палладия, имеющие с двух сторон палладиевое покрытие, отличаются значительно более высокой производительностью и радикально более низкой стоимостью по сравнению с коммерческими мембранами из палладия и его сплавов. При этом они обладают такой же идеальной селективностью и, соответственно, так же способны производить сверхчистый водород. 

Из-за высокой цены мембраны из палладия и его сплавов имеют крайне ограниченное применение — например, для получения сверхчистого водорода, требуемого при производстве полупроводников. Ванадий позволяет удешевить мембраны и тем самым существенно расширить область их использования. В частности, теперь их можно задействовать в водородной энергетике: добывать сверхчистый водород (для питания топливных элементов и выработки с их помощью электричества) из продуктов паровой конверсии природного газа. 

К сожалению, несмотря на уникальную способность ванадия выполнять транскристаллический перенос водорода, использование этого металла в чистом виде на практике невозможно. Дело в том, что ванадий слишком сильно растворяет водород: уже при нормальном давлении газа металл распухает и становится хрупким. Зато легирование ванадия палладием приводит к снижению растворимости водорода до оптимальных значений. Соответственно, сплав двух металлов позволяет создать недорогую и стопроцентно селективную мембрану, надежно работающую в газовой среде. Но, разумеется, в результате расширения рынка сбыта потребуется дополнительное производство палладия — и для включения в сплав, и для покрытия мембран.

Оборудование на основе ванадиево-палладиевых мембран можно эксплуатировать как на крупных предприятиях, обеспечивающих водородную инфраструктуру, так и непосредственно на водородных заправках. Причем второй вариант на сегодняшний день представляется даже более перспективным. 

Поскольку мы стоим на пороге эры автомобилей на водородном топливе, использование тонкостенных трубчатых мембран на базе сплавов ванадия с палладием на АЗС будет способствовать росту производства сверхчистого водородного топлива и широкому распространению водородной энергетики. 

Кроме того, металлические мембраны могут пригодиться для получения чистого водорода, который найдет свое применение в сфере нефтепереработки — для гидроочистки нефти: они способны заменить энергоемкие и сложные в эксплуатации абсорбционные методы, которые используются в настоящее время.