Газообразный водород является многообещающим источником энергии с рядом преимуществ - он легкий, пригодный для хранения, энергоемкий и экологически чистый по сравнению с ископаемым топливом, не производящий загрязняющих веществ или выбросов парниковых газов. Как таковой, он имеет широкое применение в различных областях, включая транспорт, архитектуру, энергетику и промышленность. Однако водород легко воспламеняется, и поэтому для его безопасного и широкого использования требуются надежные методы обнаружения утечек и обеспечения его чистоты. Потребность в надежных методах обнаружения привела к необходимости разработки методов определения остаточных газов. Хотя для определения содержания водорода было разработано несколько методов, ни один из них не обеспечивает оптимальной производительности.
Одним из многообещающих методов является технология перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS), которая привлекла значительное внимание для обнаружения различных газов. TDLAS обладает рядом ключевых преимуществ, включая бесконтактное измерение, обнаружение на месте, высокую селективность, быстрое реагирование, низкую стоимость и возможности многокомпонентного и многопараметрического измерения. Он работает по принципу, согласно которому газы поглощают свет с определенной длиной волны, в результате чего в спектре поглощения образуется темная линия, известная как линия поглощения. Измеряя количество лазерного излучения, которое было поглощено на этой длине волны, можно определить концентрацию газа. Однако обнаружение низких концентраций водорода с помощью TDLAS затруднено, поскольку водород обладает более слабым поглощением в инфракрасной области по сравнению с другими газами.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из Японии, возглавляемая доцентом Тацуо Шииной из Высшей инженерной школы Университета Тиба, разработала инновационный метод точного измерения газообразного водорода с использованием TDLAS. В состав команды входили Алифу Сяфукаити и Нофель Лагросас из Высшей инженерной школы Университета Тиба, Иппей Асахи из Исследовательского института Сикоку, Inc., и Сигеру Ямагути из Школы естественных наук Университета Токай. Их исследование было доступно онлайн 13 августа 2024 года и опубликовано в 180-м томе журнала Optics and Laser Technology 01 января 2025 года.
"В этом исследовании мы добились высокочувствительного обнаружения газообразного водорода благодаря тщательному контролю давления и параметров модуляции в установке TDLAS. Кроме того, мы внедрили методику без калибровки, которая обеспечивает адаптируемость к широкому диапазону концентраций", - объясняет проф. Шиина.
В TDLAS лазерный луч пропускается через газовую ячейку под давлением, называемую многопроходной ячейкой Хэрриотта (HMPC), содержащую целевой газ. Длина волны лазера модулируется или колеблется вокруг целевой линии поглощения газа с определенной частотой, чтобы устранить любой шум окружающей среды. Давление в HMPC может существенно влиять на ширину линии поглощения и, следовательно, на параметры модуляции при TDLAS.
Исследователи тщательно проанализировали ширину самой сильной линии поглощения водорода при различных давлениях. С помощью моделирования исследователи определили оптимальное давление для более широкой ширины линии поглощения и наиболее эффективные параметры модуляции в пределах этой ширины линии. Их метод без калибровки включал использование первой гармоники модулированного сигнала поглощения для нормализации второй гармоники через их соотношение, вместо того чтобы полагаться только на сигнал второй гармоники, как в обычных системах TDLAS. Кроме того, они использовали газовую ячейку высокого давления, содержащую чистый водород, в качестве эталона для точной настройки модулирующих параметров лазерного сигнала.
Благодаря этому инновационному подходу исследователи добились точных измерений концентрации водорода в широком диапазоне обнаружения от 0,01% до 100%, где 0,01% соответствует концентрации всего в 100 частей на миллион (ppm). Более того, результаты улучшились при увеличении времени интегрирования (периода времени, в течение которого свет может поглощаться). При времени интегрирования 0,1 секунды минимальный предел обнаружения составлял 0,3%, или 30 000 частей на миллион, что улучшилось до 0,0055%, или 55 частей на миллион, при времени интегрирования 30 секунд. Однако по истечении 30 секунд минимальный предел обнаружения увеличился.
"Наша система может значительно улучшить системы обнаружения водорода для обеспечения безопасности и контроля качества, способствуя более широкому внедрению водородного топлива. Например, эта система может быть надежно использована для обнаружения утечек в автомобилях на водородных топливных элементах", - отмечает проф. Шиина о потенциальном применении этого исследования.
Подводя итог, можно сказать, что этот новаторский метод может помочь проложить путь к устойчивому будущему и стимулировать внедрение водорода в качестве экологически чистого топлива.
Комментарии