DE102011008387A1

DE102011008387A1 - Wasserstoffspeichermaterialien

Info

Publication number: DE102011008387A1
Application number: DE102011008387A
Authority: DE
Inventors: Wen Li; Adam F. Gross; Alan J. Jacobsen; John C. Vajo
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-07-12

Abstract

Es wurde ein Wasserstoffspeichermaterial entwickelt, welches ein in einer Kohlenstoffmikrostruktur eingebettetes Metallhydridmaterial umfasst, das eine allgemein höhere thermische Volumenleitfähigkeit aufweist als das umgebende Bulk-Metallhydridmaterial.

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet betrifft allgemein Wasserstoffspeichermaterialien und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Hintergrund
Die Verwendung von Wasserstoff als eine mögliche Brennstoffquelle für einen großen Bereich von Vorrichtungen hat zu viel Forschungsarbeit im Hinblick auf Wasserstoffspeicher- und -versorgungstechnologien Anlass gegeben. Ein aktueller Ansatz zur Wasserstoffspeicherung beinhaltet die Verwendung von Speicherbehältern, die ein oder mehrere Metalle (einschließlich Legierungen) enthalten, die in der Lage sind, mit gasförmigem Wasserstoff zu reagieren, um reversibel Metallhydridverbindungen zu bilden. Die reversible Speicherung und Freisetzung von Wasserstoffgas mithilfe von Metallhydride bildenden Metallen gestattet es, Wasserstoff in größeren Mengen pro Volumeneinheit zu speichern als es normalerweise durch Speichern von Wasserstoffgas in einem Druckbehälter unter Standard-Wasserstoffspeicherbedingungen möglich ist. Es ist ein spezielles Ziel dieser fortschreitenden Wasserstoffspeichertechnologie, verwendbare Mengen an Wasserstoff zu speichern, sodass eine Wasserstoff verbrauchende Vorrichtung über eine hinreichende Zeitspanne ohne die Notwendigkeit betrieben werden kann, ihre Wasserstoffbrennstoffreserven ständig zu ergänzen. Gegenwärtig werden auch gerade Anstrengungen unternommen zu versuchen, Wasserstoffgas einer Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung bei bequemen Temperatur- und Druckbedingungen zuzuführen, um einige relativ komplexe und kostspielige Zusatzeinrichtungen zu eliminieren, die sonst erforderlich sein können.
Die Sorption von Wasserstoffgas zur Bildung von Metallhydridverbindungen ist allgemein eine exotherme Reaktion, die oft die Abfuhr und Ableitung zumindest eines Teils der erzeugten Wärme erfordert, sodass die weitere Wasserstoff-Sorption nicht behindert ist. Hingegen ist die Desorption von Wasserstoffgas von den Metallhydridverbindungen allgemein eine endotherme Reaktion, die einen schnellen und/oder kontinuierlichen Eintrag von Wärme erfordern kann, um die Reaktion anzutreiben und Wasserstoffgas bei einer ausreichenden Rate abzugeben. Die Fähigkeit, Wärme effektiv zu und von den Metallhydridverbindungen zu übertragen, ist somit ein Faktor, der zu ihrer Gesamt-Bulk-Wasserstoffspeicherkapazität beiträgt und wiederum direkt die Häufigkeit beeinflusst, mit der Wasserstoffgas in den Behälter oder das Gefäß, welcher/s die Metallhydridverbindungen enthält, nachgefüllt werden muss.
Die Entwicklung von verbesserten Wasserstoffspeichermaterialien für die Speicherung von Wasserstoffgas ist daher derzeit eine Forderung.
Zusammenfassung von beispielhaften Ausführungsformen
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt mit einer Kohlenstoffmikrostruktur, die ein offenzelliges Grundgerüst aufweist, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die wiederholte und integrierte Elementarzellen bilden, sodass die Kohlenstoffmikrostruktur ein offenes Volumen im Bereich von etwa 70 Prozent bis etwa 95 Prozent aufweist. Ein Metallhydridmaterial kann in das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet sein. Die Kohlenstoffmikrostruktur kann thermisch besser leitfähig sein als das Metallhydridmaterial.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt mit einer Kohlenstoffmikrostruktur, die ein offenzelliges Grundgerüst aufweist, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die sich an beabstandeten und ausgerichteten Knoten gegenseitig durchdringen, um ein dreidimensionales Mikrofachwerk mit wiederholten und integrierten Elementarzellen zu bilden. Die Kohlenstoffmikrostruktur kann zumindest 90 Gewichtsprozent glasförmigen Kohlenstoff auf der Basis des Gesamtgewichts der Kohlenstoffmikrostruktur umfassen. Die Elementarzellen des dreidimensionalen Mikrofachwerks können vier Kohlenstoffsegmente umfassen, die sich an einem der Knoten gegenseitig durchdringen, um gegenüberliegende vierseitige pyramidenförmige Hälften zu bilden. Die Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten kann ein Dicke aufweisen und die Knoten können voneinander in einer Ebene des Mikrofachwerks um eine Distanz beabstandet sein, um die Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenen Volumen im Bereich von etwa 70% bis etwa 95% zu versehen. Zumindest eines der Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten kann auch innere Risse aufweisen. Überdies kann ein Metallhydrid in das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet sein.
Eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, welches die Schritte umfasst, dass eine Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenzelligen Grundgerüst vorgesehen wird, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die wiederholte und integrierte Elementarzellen bilden, sodass die Kohlenstoffmikrostruktur ein offenes Volumen im Bereich von etwa 70 Prozent bis etwa 95 Prozent aufweist, und ein Metallhydridmaterial in das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet wird.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Wasserstoffspeichermaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
2 eine perspektivische Darstellung einer Elementarzelle einer offenzelligen Kohlenstoffmikrostruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
3 eine illustrative und fragmentarische Querschnitts-Draufsicht eines Wasserstoffspeichermaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
4 ein schematisches Verfahrensflussdiagramm ist, welches die Bildung eines Wasserstoffspeichermaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ein schematisches Verfahrensflussdiagramm ist, welches die Bildung eines Wasserstoffspeichermaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 eine Rasterelektronenmikroskop-Mikrophotographie eines Abschnitts einer offenzelligen Kohlenstoffmikrostruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
7 ein Graph ist, der die Volumenprozent eines Metallhydridmaterials in einem Wasserstoffspeichermaterial als eine Funktion der Volumenprozent einer offenzelligen Kohlenstoffmikrostruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zu Vergleichszwecken die Gewichtsprozent eines Aluminiummaterials zeigt, das benötigt wird, um eine vergleichbare thermische Volumenleitfähigkeit zu erzielen.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Vorrichtungen, die Wasserstoffgas zur Leistungserzeugung oder für bestimmte andere Zwecke verbrauchen, müssen Wasserstoffgas in einer wirksamen Weise speichern und damit versorgt werden. Man schätzt z. B., dass Wasserstoff verbrauchende Fahrzeuge betreffend ungefähr 5–13 kg Wasserstoffgas benötigt werden können, um eine Reichweite von zumindest 300 Meilen mithilfe eines Brennstoffzellen-Leistungsaggregats wie z. B. eines PEM-Brennstoffzellenstapels als den Fahrzeug-Hauptenergieerzeuger zu ermöglichen. Andere Wasserstoff verbrauchende Vorrichtungen, die von großen, stationären Leistungsaggregaten bis zu tragbaren Konsumentenvorrichtungen reichen, können sehr unterschiedliche Wasserstoffversorgungsanforderungen aufweisen und können auch bei ähnlichen oder ganz verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen arbeiten. Ein hoch leistungsfähiges Wasserstoffspeichermaterial kann jedoch dem soeben erwähnten weiten Bereich von – Wasserstoff verbrauchenden – Vorrichtungen von Nutzen sein.
Es wurde ein Wasserstoffspeichermaterial entwickelt, das ein in einer Kohlenstoffmikrostruktur eingebettetes Metallhydridmaterial umfasst. Die Kohlenstoffmikrostruktur weist allgemein eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als das sie umgebende Bulk-Metallhydridmaterials. Zum Beispiel kann die Kohlenstoffmikrostruktur abhängig von ihrer Zusammensetzung und ihrem Aufbau thermische Leitfähigkeiten von bis zu und mehr als etwa 10 Wm^–1K^–1 erzielen, während die thermische Leitfähigkeit des sie umgebenden Bulk-Metallhydridmaterials allgemein etwa 1–2 Wm^–1K^–1 beträgt. Das Hinzufügen zumindest eines Oberflächenbelags aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit kann die thermische Leitfähigkeit der Kohlenstoffmikrostruktur weiter erhöhen, falls erwünscht. Die Kohlenstoffmikrostruktur kann derart hergestellt sein, dass sie eine oder mehrerer Formen von allotropem Kohlenstoff als ihren Hauptbestandteil aufweist; das heißt, dass die Kohlenstoffmikrostruktur (1) vollständig aus einer oder mehreren allotropen Formen des Kohlenstoffes oder (2) aus einer Kombination von Stoffen, in denen die eine oder mehreren Formen von allotropem Kohlenstoff der Hauptbestandteil ist/sind, gebildet sein kann. In einer Ausführungsform kann die Kohlenstoffmikrostruktur vollständig oder nahezu vollständig aus glasförmigem Kohlenstoff gebildet sein. Die Gewichtsprozente von glasförmigem Kohlenstoff in solch einer Kohlenstoffmikrostruktur können von etwa 90% bis etwa 100% auf der Basis des Gesamtgewichts der Kohlenstoffmikrostruktur (Kohlenstoffgehalt plus der zumindest eine Oberflächenbelag, falls aufgebracht) variieren. Andere allotrope Formen des Kohlenstoffes und/oder des/der optionalen Oberflächenbelages/-beläge) können die restlichen Gewichtsprozente der Kohlenstoffmikrostruktur ausmachen, falls vorhanden.
Die Kohlenstoffmikrostruktur kann ein offenzelliges Grundgerüst aus leitfähigem Kohlenstoff über zumindest einen ganzen Abschnitt des eingebetteten Metallhydridmaterials umfassen. Solch eine Anordnung gestattet es, Wärme bei einer höheren Rate und thermisch effizienter homogen zu und von dem eingebetteten Metallhydridmaterial weg zu übertragen, als es normalerweise möglich wäre. Die Kohlenstoffmikrostruktur kann auch derart gebildet sein, dass sie ein relativ großes offenes oder Leervolumen aufweist, sodass der Einschluss der Kohlenstoffmikrostruktur innerhalb des Metallhydridmaterials keine Energiedichteverluste, die den in der thermischen Leitfähigkeit realisierten Zuwachs herabsetzen können, nach sich zieht. Ein Wasserstoffspeichermaterial, das eine Kohlenstoffmikrostruktur mit diesen Attributen umfasst, kann bei der Beschleunigung der Wasserstoff-Sorptions- und -Desorptionskinetik hilfreich sein und macht wiederum die Wasserstofffüll- und -austragszeiten des Wasserstoffspeichermaterials über den Verlauf der wiederholten Zyklen schneller. Die Notwendigkeit, das Metallhydridmaterial kostspieligen Hochenergie-Aktivierungsprozessen – z. B. dem Pulverisieren der Metallhydridpartikel zu klein dimensionierten Partikeln mit sauerstofffreien Oberflächen bei einer/m hohen Temperatur und Druck – zu unterziehen, kann daher reduziert oder insgesamt eliminiert werden, falls erwünscht. Es können auch viele weitere Ergebnisse oder Vorteile erzielt werden, wie Fachleuten bekannt und für sie verständlich.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist eine Ausführungsform eines Wasserstoffspeichermaterials 10 gezeigt, welches ein Metallhydridmaterial 12 umfasst, das in einer Kohlenstoffmikrostruktur 14 eingebettet ist. Das Wasserstoffspeichermaterial 10 kann sich innerhalb eines Wasserstoffspeicherbehälters befinden, um die Erleichterung der Speicherung und Zufuhr von Wasserstoffgas zu einer zugeordneten Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung (nicht gezeigt) zu unterstützen. Das Wasserstoffspeichermaterial 10 kann jedoch selbstverständlich auch in vielen anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen es gefragt ist, Wasserstoffgasspeicher/Freisetzungs-Zyklen zu bewerkstelligen und/oder zustande zu bringen.
Das Metallhydridmaterial 12 kann zumindest ein/e hydrierbare/s Metall oder Legierung umfassen. Solche hydrierbaren Metalle und Legierungen wurden unlängst populär wegen ihrer Fähigkeit, Wasserstoffgas bei relativ bequemen Temperaturen und Drücken reversibel zu sorbieren und zu desorbieren. Die relevante Literatur beschreibt Dutzende von verschiedenen, einfachen, Übergangs- und komplexen hydrierbaren Metallen und Legierungen, die als vielversprechende Kandidaten für Wasserstoffspeicher- und -versorgungsanwendungen erkannt wurden. Beispielhafte hydrierbare Metalle und Legierungen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Magnesiummetall (Mg) und Legierungen mit der allgemeinen Formel AB₅, AB, A₂B oder AB₂, wobei A und B viele verschiedene bekannte Metalle repräsentieren. Einige spezifische und kommerziell genutzte Legierungen umfassen LaNi₅, Mg₂Ni, FeTi, LiAl, NaAl, LiB, CaB, CaMg₂, LaNi₃Co₂, ZrV₂ und LiN. Einige dieser hydrierbaren Legierungen können auch einer Dotierung mit z. B. Aluminium oder Titan unterzogen werden, um die Verbesserung ihrer volumetrischen und gravimetrischen Wasserstoffkapazität zu unterstützen. Ein Beispiel für solch eine dotierte hydrierbare Legierung ist LaNi_4,7Al_0,3. Während die soeben erwähnten beispielhaften hydrierbaren Legierungen unter Verwendung ihrer elementaren Zusammensetzung vor der Wasserstoffeinlagerung angeführt wurden, sollte einzusehen sein, dass die Nennung dieser Legierungen auch deren entsprechende Hydridverbindungen einschließen sollen (d. h. bezieht sich „LaNi₅” sowohl auf LaNi₅ als auch auf LaNi₅H₆, während sich „LiAl” sowohl auf LiAl als auch auf LiAlH₄ bezieht, usw.). Es gibt selbstverständlich Dutzende von weiteren hydrierbaren Metallen und Legierungen, von denen in der Literatur berichtet wurde und die zum Aufbau des Metallhydridmaterials 12 verwendet werden können. Es können auch zusätzliche Materialien wie z. B. ein Absorptionsmittel, das bekannte oder zu erwartende Verunreinigungen aus Wasserstoffgas entfernen kann, in dem Wasserstoffspeichermaterial 10 umfasst sein.
Die Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann in eine Ausführungsform ein offenzelliges Grundgerüst darstellen, das ein Netzwerk aus thermisch leitfähigem Kohlenstoff über das gesamte Metallhydridmaterial 12 oder einen gewünschten Abschnitt des Metallhydridmaterials 12 bildet, das heißt, die Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann eine allgemein poröse und homogene dreidimensionale physikalische Mikrostruktur sein, die zumindest teilweise durch wiederholte und integrierte Elementarzellen mit einer vorbestimmten geometrischen Konfiguration definiert ist. Solch ein offenzelliges Grundgerüst kann die thermische Volumenleitfähigkeit des Wasserstoffspeichermaterials 10 deutlich verbessern. Dies deshalb, da das ausgedehnte Netzwerk aus thermisch leitfähigem Kohlenstoff, welches sich über das gesamte Metallhydridmaterial 12 erstreckt, Wärme viel besser übertragen kann als das Metallhydridmaterial 12 selbst. Die Kinetik sowohl der Wasserstoff-Sorptions- als auch -Desorptionsreaktionen, die innerhalb des Wasserstoffspeichermaterials 10 stattfinden, kann daher verbessert werden. Es kann z. B. eine beträchtliche Menge der während der exothermen Sorption von Wasserstoffgas erzeugten Wärme von irgendwo innerhalb des Vollmetallhydridmaterials 12 entzogen und entsprechend abgeleitet werden. Ebenso kann auf dieselbe Weise Wärme homogen über das gesamte Metallhydridmaterial 12 geliefert werden, um dabei zu unterstützen, die endotherme Wasserstoff-Desorptionsreaktion anzutreiben.
Das offenzellige Grundgerüst kann ferner ein relativ großes offenes oder Leervolumen bereitstellen, sodass jeglicher in der thermischen Volumenleitfähigkeit des Wasserstoffspeichermaterials 12 erzielte Zuwachs nicht notwendigerweise von einer deutlichen Abnahme in der Menge des Metallhydridmaterials 12, das verwendet wird, um das Wasserstoffspeichermaterial 10 zu bilden, begleitet ist. Die Volumenleitfähigkeit des Wasserstoffspeichermaterials 10 kann somit verbessert werden, ohne dass dies dramatisch auf Kosten der volumetrischen und gravimetrischen Wasserstoffspeicherkapazität und der entsprechenden Energiedichten des Wasserstoffspeichermaterials 10 geschieht. Überdies kann das Vermögen, ein relativ großes offenes Volumen in der Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu erzielen, sicherstellen, dass die Wasserstoffgasdiffusion innerhalb des Wasserstoffspeichermaterials 10 nicht übermäßig eingeschränkt ist.
In einer Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, kann das offenzellige Grundgerüst der Kohlenstoffmikrostruktur 14 ein dreidimensionales integriertes Mikrofachwerk sein. Das Mikrofachwerk, von dem eine Elementarzelle 20 in 2 gezeigt ist, kann Kohlenstoffsegmente 22 mit einer beliebigen Querschnittsform umfassen, die an beabstandeten und ausgerichteten Knoten 24 aufeinander treffen. Wie gezeigt, kann z. B. jede Elementarzelle 20 vier kreisförmige Kohlenstoffsegmente 22 umfassen, die an einem der Knoten 24 zusammentreffen und sich gegenseitig durchdringen, um gegenüberliegende vierseitige pyramidenförmige Hälften 26 zu bilden. Die Knoten 24 des integrierten Mikrofachwerks können sowohl in vertikalen als auch horizontalen Ebenen ausgerichtet sein. 6 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Mikrophotographie eines Abschnitts eines tatsächlichen integrierten Kohlenstoffmikrofachwerks ähnlich dem in den 1 und 2 illustrativ gezeigten.
Die Dicke (der Durchmesser, wenn die Segmente kreisförmig sind) der Kohlenstoffsegmente 22 kann im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 500 μm liegen. Die Beabstandung zwischen benachbarten Knoten 24 in derselben Ebene – entweder vertikal oder horizontal – kann im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 5 mm liegen. Diese Abmessungen können die Elementarzelle 20 und somit die volle Kohlenstoffmikrostruktur 14 mit einem offenen Volumen im Bereich von etwa 70 Prozent bis etwa 95 Prozent und einer entsprechenden Raumdichte von etwa 0,07 g/cm³ bis etwa 0,60 g/cm³ versehen. Die Dicke der Kohlenstoffsegmente 22 und die Beabstandung zwischen benachbarten Knoten 24 kann variiert werden, um das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 anzupassen, falls erwünscht.
Die Raumdichte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann überdies in einer vorhersehbaren Weise durch Regeln ihres offenen Volumens und Kohlenstoffgehalts beeinflusst werden. Zum Beispiel wird die Kohlenstoffmikrostruktur 14 allgemein eine Raumdichte von oder nahe bei 0,50 g/cm³ besitzen, wenn sie beinahe vollständig aus glasförmigem Kohlenstoff und mit einem offenen Volumen von ungefähr 70% gebildet ist. Das Herabsetzen des Gehalts an glasförmigem Kohlenstoff für schwerere allotrope Formen des Kohlenstoffs wird die Tendenz zeigen, die Raumdichte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu erhöhen, während andererseits das Vergrößern des offenen Volumens die Tendenz zeigen wird, die Raumdichte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu verringern. Tatsächlich wird die Kohlenstoffmikrostruktur 14, als ein anderes Beispiel, allgemein eine Raumdichte von oder nahe bei 0,07–0,08 g/cm³ besitzen, wenn sie beinahe vollständig aus glasförmigem Kohlenstoff und mit einem offenen Volumen von ungefähr 95% gebildet ist.
Einige oder alle von den Kohlenstoffsegmenten 22 können ferner innere Risse 28 umfassen, wie am besten in der in 3 veranschaulichten schematischen Querschnitts-Draufsicht gezeigt. Die inneren Risse 28 können sich längs, sowohl in Längs- als auch Querrichtung oder sogar einigermaßen zufällig durch die Kohlenstoffsegmente 22 hindurch erstrecken. Die inneren Risse 28 können die Kohlenstoffsegmente 22 und somit die Kohlenstoffmikrostruktur 14 insgesamt im Inneren porös und somit empfänglich für eine innere Wasserstoffgasdiffusion machen. Dieses Attribut der Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann ferner die Wasserstoffgasdiffusion innerhalb des Wasserstoffspeichermaterials 10 in einer Größenordnung ermöglichen, die mit einer Vergrößerung im offenen Volumen vergleichbar ist; das heißt, die inneren Risse 28 vermitteln das Empfinden, dass die Kohlenstoffmikrostruktur 14 ein größeres offenes Volumen aufweist, als sie es tatsächlich tut. Die inneren Risse 28 können in den Kohlenstoffsegmenten 22 während des vorbereitenden Abschreckens des Wasserstoffspeichermaterials 10 gebildet werden, wie später weiter beschrieben.
Die Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann auch zumindest einen Oberflächenbelag 30 aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit umfassen, um die Verbesserung ihrer thermischen Leitfähigkeit und/oder Oberflächenwechselwirkung mit dem eingebetteten Metallhydridmaterial 12 (oder hydrierbaren Metall- oder Legierungs-Vorläufermaterialien) weiter zu unterstützen. Einige Beispiele für ein Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Nickel, Gold, Kupfer und Aluminium. Das Hinzufügen zumindest eines Eine Oberflächenbelages 30 wird die Raumdichte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 im Verhältnis zu dem Produkt aus der Raumdichte des speziellen Materials mit hoher thermischer Leitfähigkeit und den Gewichtsprozenten, bei denen es verwendet wird, geringfügig erhöhen.
In einer Ausführungsform kann der zumindest einen Oberflächenbelag 30 eine Vielzahl von kleinen Anhäufungen aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit auf der Oberfläche zumindest eines der Kohlenstoffsegmente 22 umfassen (wie in 2 auf dem unteren linken Kohlenstoffsegment gezeigt). Die gesamte Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann diese kleinen Anhäufungen aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit umfassen. Allerdings können in einigen Fällen nur ausgewählte Abschnitte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 angestrebt sein. Die kleinen Anhäufungen aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit können in Abhängigkeit vom Ausmaß seiner Anwendung kollektiv etwa 0,1 bis etwa 10 Gewichtsprozent der Kohlenstoffmikrostruktur auf der Basis des kombinierten Gesamtgewichts aus der Kohlenstoffmikrostruktur und dem zumindest einen Eine Oberflächenbelages 30 ausmachen. Die kleinen Anhäufungen aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit können auf das zumindest eine Kohlenstoffsegment 22 der Kohlenstoffmikrostruktur 14 mithilfe einer beliebigen geeigneten, Fachleuten bekannten Prozedur einschließlich Aufdampfen und Magnetronsputtern aufgebracht sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der zumindest einen Oberflächenbelag 30 eine dünne kontinuierliche Beschichtung aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit auf der Oberfläche zumindest eines der Kohlenstoffsegmente 22 sein (wie in 2 auf dem oberen rechten Kohlenstoffsegment gezeigt). Die gesamte Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann beschichtet sein, sodass der überwiegende Großteil der Kohlenstoffmikrostruktur 14 von dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit eingekapselt ist. Allerdings können, wie zuvor, in einigen Fällen nur ausgewählte Abschnitte der Kohlenstoffmikrostruktur 14 angestrebt sein. Die kontinuierliche Beschichtung aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit kann in Abhängigkeit vom Ausmaß seiner Anwendung kollektiv etwa 0,1 bis etwa 10 Gewichtsprozent der Kohlenstoffmikrostruktur auf der Basis des kombinierten Gesamtgewichts aus der Kohlenstoffmikrostruktur und dem zumindest einen Eine Oberflächenbelages 30 ausmachen. Die kontinuierliche Beschichtung aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit kann auf zumindest ein Kohlenstoffsegment 22 der Kohlenstoffmikrostruktur 14 durch Galvanisieren oder eine beliebige andere geeignete, Fachleuten bekannte Prozedur aufgebracht sein.
Die Kohlenstoffmikrostruktur 14, welche das in den 1–2 gezeigte integrierte Mikrofachwerk umfasst, kann vor der Einbettung mit dem Metallhydridmaterial 12 mithilfe einer beliebigen, Fachleuten bekannten Prozedur hergestellt werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine Polymervorlage, die in der Form mit dem gewünschten integrierten Mikrofachwerk identisch oder nahezu identisch ist, vorgesehen und dann carbonisiert werden, um die Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu bilden. Es können zusätzliche Zwischenschritte ausgeführt werden, falls erwünscht, um die Verbesserung der Kohlenstoffausbeute der Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu unterstützen.
Die Polymervorlage kann mittels eines Verfahrens vorgesehen werden, das eine dreidimensionale Polymer-Mikrostruktur bildet, indem sich selbst fortpflanzende optische Polymerwellenleiter aus einem Photopolymer ausgehärtet werden. Solch ein Verfahren kann beinhalten, dass eine Vielzahl von kollimierten Lichtbündeln in ein Reservoir zugeführt wird, welches ein Photopolymer enthält, das bei der Wellenlänge der kollimierten Lichtbündel polymerisiert. Beispiele für geeignete Photopolymere umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polymere mit freien Radikalen wie z. B. Urethane, Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie z. B. lichtgehärtete Epoxide. Die kollimierten Lichtbündel können gebildet werden, indem Licht von einer Lichtquelle durch eine dazwischen liegende Maske mit einer Vielzahl von gemusterten Öffnungen geleitet wird. Die gemusterte Maske kann die Vielzahl von Lichtbündeln in das Photopolymer hinein lenken, sodass sie sich schneiden, um dem zu bildenden integrierten Mikrofachwerk zu gleichen.
Nach dem Belichten des Photopolymers initiieren die kollimierten Lichtbündel die Polymerisation und bewirken, dass sich selbst fortpflanzende Polymerwellenleiter entlang des Weges der Vielzahl von Lichtbündeln infolge der während der Polymerisation stattfindenden Brechungsindexänderungen gebildet werden. Diese sich selbst fortpflanzenden Polymerwellenleiter wachsen schließlich und schneiden einander, um die Polymervorlage zu bilden. Die Größe und Form der Polymervorlage einschließlich der Dicke und der Beabstandung der Polymerwellenleiter kann durch Steuern eines oder mehrerer Parameter wie z. B. der Größe der Vielzahl von Öffnungen in der Maske, des Winkels der Vielzahl von kollimierten Lichtbündeln durch die Maske hindurch, der Intensität und der Belichtungszeit des Photopolymers mit der Vielzahl von kollimierten Lichtbündeln und des speziellen verwendeten Photopolymers, um nur einige zu nennen, vorbestimmt werden. Eine vollständigere und detaillierte Erläuterung dieses Verfahrens zur Herstellung des Polymers ist in dem US-Patent Nr. 7 382 959 zu finden, welches HRL Laboratories erteilt ist.
Die Polymervorlage kann dann carbonisiert werden – die thermische Zersetzung der Polymerwellenleiter zu Kohlenstoff durch Pyrolyse – um das integrierte Mikrofachwerk der Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu bilden. Im Allgemeinen sind Temperaturen von mehr als 600°C und üblicherweise von mehr als 800°C ausreichend, um die meisten Polymermaterialien in einer inerten Atmosphäre zu carbonisieren. Durch Carbonisieren kann eine Anzahl allotroper Formen des Kohlenstoffes einschließlich glasförmigem Kohlenstoff hergestellt werden, wie für Fachleute verständlich ist.
Fachleuten sind jedoch verschiedene Techniken bekannt, welche die Verbesserung der Kohlenstoffausbeute (die Masse-% an Kohlenstoff, der sich von dem Polymermaterial herleitet) solcher Carbonisierungsprozeduren unterstützen können. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Polymervorlage zuerst in ein Reservoir aus einem flüssigen Monomer getaucht werden, sodass das flüssige Monomer in die Polymerwellenleiter der Polymervorlage hinein diffundieren und diese anschwellen lassen kann. Das flüssige Monomer kann ein beliebiges Monomer sein, das in der Lage ist, in die Polymerwellenleiter hinein zu diffundieren und zu einem Polymer mit hoher Kohlenstoffausbeute zu polymerisieren. Ein Beispiel für solch ein Monomer ist Acrylnitril. Es kann auch eine kleine Menge eines Radikalstarters (durch Wärme oder UV-Licht ausgelöst) in dem Reservoir mit dem flüssigen Monomer umfasst sein. Als Nächstes kann die Polymervorlage aus dem Reservoir aus flüssigem Monomer entfernt und erwärmt oder UV-Licht ausgesetzt werden (je nach verwendetem Radikalstarter), um das in die Polymervorlage eingegossene flüssige. Monomer zu polymerisieren. Die Polymervorlage kann dann in einer oxidierenden Umgebung wärmestabilisiert (200°C–400°C) und anschließend in einer inerten Umgebung carbonisiert (über 600°C und üblicherweise über 800°C) werden, um die durch ein integriertes Mikrofachwerk definierte Kohlenstoffmikrostruktur 14 zu bilden. Eine vollständigere und detaillierte Erläuterung dieses Verfahrens ist in der US-Anmeldung Nr. 11/870 379 zu finden, welche HRL Laboratories erteilt ist und den Titel „Ordered Open-Cellular Carbon Microstructure and Method of Making the Same” trägt.
Dann kann das Metallhydridmaterial 12 in die Kohlenstoffmikrostruktur 14 eingebettet werden, um das Wasserstoffspeichermaterial 10 in verschiedenster Art und Weise zu bilden.
In einer Ausführungsform, die in 4 schematisch gezeigt ist, kann ein hydrierbarer Metall- oder Legierungsvorläufer 40 in die Kohlenstoffmikrostruktur 14 geschmolzen und dann hydriert werden. Solch eine Einbettungsprozedur kann beinhalten, dass zuerst der hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 in Block- oder Schüttform in einem Hochtemperatur-Schiffchen 42 angeordnet wird, welches die Kohlenstoffmikrostruktur 14 enthält. Die Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann hergestellt werden, wie bereits beschrieben, und kann ferner Oberflächenverbindungen umfassen, falls erwünscht. Der hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 kann dann geschmolzen werden, sodass er in das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 fließt und diese füllt. Die Verwendung eines hydrierbaren Metall- oder Legierungsvorläufers 40, der unterhalb der Temperatur schmilzt, bei der die Kohlenstoffmikrostruktur 14 beginnt, strukturell schwach zu werden oder sich zu deformieren, kann bevorzugt sein. Es kann z. B. ein hydrierbarer Metall- oder Legierungsvorläufer 40 geeignet sein, der unterhalb von etwa 1600°C schmilzt.
Als Nächstes kann das/die geschmolzene hydrierbare Metall oder Legierung abgekühlt werden. Die verwendeten Abkühlprozeduren können gewählt sein, um die maximale Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 und des nun eingegossenen und erstarrten hydrierbaren Metall- oder Legierungsvorläufers 40 zu erhalten. An diesem Punkt kann der hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 hydriert werden, um das Metallhydridmaterial 12 zu bilden. In einer Ausführungsform kann der hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 z. B. einem Wasserstoffgas unter hohen Drücken und entsprechenden Temperaturen in einer inerten Umgebung ausgesetzt und dann abgeschreckt werden (der kontinuierliche Zyklus von Wasserstoffgas-Sorption und -desorption). Das Abschrecken des hydrierbaren Metall- oder Legierungsvorläufers 40 produziert fortschreitend mehr Metallhydridverbindungen und bildet schließlich das Metallhydridmaterial 12, das die entsprechende Wasserstoffgasspeicherkapazität aufweist. Dieser Abschreckprozess kann überdies die inneren Risse 28 in den einzelnen Kohlenstoffsegmenten 22 durch zyklische Spannungen, die auf die Kohlenstoffmikrostruktur 14 übertragen werden, initiieren und fortpflanzen. Eine ähnliche Rissbildung kann auch in dem erstarrten Bulk-Metallhydridmaterial 12 stattfinden, was den nützlichen Effekt mit sich bringt, dass frische Kohlenstoffoberflächen freigelegt werden, um dabei hilfreich zu sein, dass das Wasserstoffspeichermaterial 10 optimale thermische Leitfähigkeits- und Wasserstoffgasdiffusionseigenschaften erreicht.
Das durch den Prozess von 4 gebildete Wasserstoffspeichermaterial 10 kann nun in einen Wasserstoffspeicherbehälter eingebaut werden. Das Wasserstoffspeichermaterial 10 kann in seinem Zustand, wie gebildet, verwendet werden, oder es kann mechanisch in kleinere Blöcke oder Brocken zermahlen werden, die jeweils einen Abschnitt der ursprünglich gebildeten Kohlenstoffmikrostruktur 14 mit einer eingebetteten Menge des Metallhydridmaterials 12 aufweisen. Das Wasserstoffspeichermaterial 10, ob aus einem oder mehreren Stücken bestehend, kann poliert werden, um weiter frische Oberflächen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 freizulegen, falls erwünscht.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 5 schematisch gezeigt ist, kann der Metallhydridmaterial-Vorläufer 40 in die Kohlenstoffmikrostruktur 14 als ein grobes oder feines Pulver gefüllt werden. Solch eine Einbettungsprozedur kann beinhalten, dass zuerst der hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 in einem Kugelmühlenmahlwerk 50 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung angeordnet wird, um den hydrierbaren Metall- oder Legierungsvorläufer 40 zu einem Pulver mit einer vorbestimmten Feinheit zu mahlen. Der pulverisierte hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 kann dann in einen Trichter 52 gefüllt und mithilfe eines Rütteltisches 54 in die Kohlenstoffmikrostruktur 14 hinein gefiltert werden. Danach kann ein zusätzlicher Druckbeaufschlagungsprozess verwendet werden, um den Oberflächenkontakt zwischen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 und dem pulverisierten Metall- oder Legierungsvorläufer 40 zu erhöhen. Die Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann wie in der vorhergehenden Ausführungsform hergestellt werden, wie bereits beschrieben, und kann ferner Oberflächenverbindungen umfassen, falls erwünscht. Als Nächstes kann der pulverisierte hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufer 40 mithilfe des gleichen zuvor beschriebenen Abschreckprozesses hydriert werden. Wiederum bildet dieser Abschreckprozess das Metallhydridmaterial 12 mit einer entsprechenden Wasserstoffgasspeicherkapazität und bildet auch die inneren Risse 28 in den einzelnen Kohlenstoffsegmenten 22 der Kohlenstoffmikrostruktur 4.
Die Wirksamkeit des Wasserstoffspeichermaterials 10, das entwickelt wurde, kann durch einen Vergleich mit bisher bekannten Wasserstoffspeichermedien, die gefragt waren, um die thermische Volumenleitfähigkeit zu verbessern, deutlicher gezeigt werden.
Erstens, wie zuvor erwähnt, besitzen die Bulk-Metallhydride allgemein eine geringe thermische Leitfähigkeit während Wasserstoffgaszyklen in der Gegend von etwa 1–2 Wm^–1K^–1. Solch eine geringe thermische Volumenleitfähigkeit kann einige Leistungs- und Praktikabilitätsprobleme schaffen. Es kann z. B. eine vollständige oder nahezu vollständige Wasserstoffgas-Sorption durch das Metallhydridmaterial behindert sein. Dies deshalb, da die während der exothermen Wasserstoff-Sorptionsreaktion erzeugte Wärme nicht schnell genug entfernt werden kann, um einen Anstieg in der Temperatur des Bulk-Metallhydridmaterials und eine ausgleichende Freisetzung von Wasserstoffgas zu verhindern. Anders ausgedrückt erzeugt die Sorption von Wasserstoffgas Wärme, die in dem Bulk-Metallhydridmaterial eingeschlossen wird und schließlich bewirkt, dass etwas oder alles von dem soeben eingefangenen Wasserstoffgases freigesetzt wird. Weitere Probleme in Verbindung mit einer schlechten thermischen Volumenleitfähigkeit umfassen eine langsame Gesamt-Sorptions- und -Desorptionskinetik, was zu langen Füll/Austragzeiten und der Notwendigkeit führt, kostspielige und komplizierte Aktivierungsprozesse zu verwenden, um diese Kinetik zu testen und zu verbessern.
Einige Techniken, die erdacht wurden, um die thermische Leitfähigkeit von Bulk-Metallhydridmaterialien zu testen und zu verbessern, beinhalten das Mischen weiterer thermisch hoch leitfähiger inerter Metallzusätze – z. B. Aluminium (237 Wm^–1K^–1) und Kupfer (401 Wm^–1K^–1) – in das Metallhydridmaterial. Ein Nachteil dieser Techniken besteht jedoch darin, dass eine große Menge inerter und Wasserstoff nicht speichernder Zusätze erforderlich ist, um einen wesentlichen Zuwachs an thermischer Leitfähigkeit zu erzielen. Es können z. B. soviel wie 10 bis 20 Gewichtsprozent von inerten Metallzusätzen erforderlich sein, um die thermische Leitfähigkeit des Bulk-Metallhydridmaterials auf die allgemeine Größenordnung von etwa 2 bis 35 Wm^–1K^–1 anzuheben. Solch eine hohe Konzentration an inerten Metallzusätzen hat, während sie die thermische Leitfähigkeit verbessert, den nachteiligen Effekt, dass sie die Gesamtwasserstoffspeicherkapazität und Energiedichte des Bulk-Metallhydridmaterials deutlich reduziert. Ein weiterer Nachteil dieser Techniken besteht darin, dass der feste Zustand inerter Metallzusätze die Gesamtporosität des Metallhydridmaterials verringert und daher die Wasserstoffgasdiffusion begrenzt.
Andererseits kann das Wasserstoffspeichermaterial 10, wie zuvor erwähnt, gebildet werden, indem das Metallhydridmaterial 12 in die Kohlenstoffmikrostruktur 14 eingebettet wird, die soviel wie 95% offenes Volumen und eine entsprechende Raumdichte von etwa 0,07–0,80 g/cm³ (nahezu 100% glasförmiger Kohlenstoff und keine/n Oberflächenbelag/beläge 30) besitzen kann. Die Raumdichte solch einer Kohlenstoffmikrostruktur 14 kann geringfügig auf ca. 0,83 g/cm³ angehoben werden, wenn Aluminium als (ein) Oberflächenbelag/beläge in einer Menge hinzugefügt wird, welche die Aluminium-Gewichtsprozente der Kohlenstoffmikrostruktur auf etwa 10% auf der Basis des Gesamtgewichts der Kohlenstoffmikrostruktur 14 bringt. Diese bescheidene Zunahme in der Dichte kann im Hinblick auf die dem Aluminium zugeschriebene entsprechende Zunahme in der thermischen Leitfähigkeit akzeptabel sein.
Somit kann in einem Beispiel, in dem das Wasserstoffspeichermaterial 10 die durch ein mit LaNi₅ eingebettetes integriertes Mikrofachwerk definierte Kohlenstoffmikrostruktur 14 umfasst (Dichte von 7,17 g/cm³), der gesamte gravimetrische und volumetrische Verlust von LaNi₅ in dem Wasserstoffspeichermaterial 10 infolge des Vorhandenseins der Kohlenstoffmikrostruktur 14 so gering wie etwa 3,2% bzw. 10% sein. Überdies können die inneren Risse 28 in den Kohlenstoffsegmenten 22 zur Folge haben, dass das Wasserstoffspeichermaterial 10 arbeitet, als wären diese Volumen- und Gewichtsprozentverluste tatsächlich geringer. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines bzw. von Oberflächenbelages/beläge aus Aluminium (oder einem anderen Material) auf der Kohlenstoffmikrostruktur 14 ist hier nicht von spezieller Bedeutung, da das Gesamtvolumen der Kohlenstoffmikrostruktur 14 in keinem Fall wesentlich betroffen ist. Wenn jedoch dasselbe Metallhydridmaterial (LaNi₅) mit Aluminium in seinem unteren effektiven Gewichtsprozentbereich (10% der Aluminium/Metallhydrid-Mischung) gemischt ist, wird der angenommene gravimetrische und volumetrische Verlust des Metallhydridmaterials mit etwa 10% bzw. 22,8% veranschlagt. Die Folgen der Verringerung des offenen Volumens der Kohlenstoffmikrostruktur 14 (die die Volumenprozente von LaNi₅ in dem Wasserstoffspeichermaterial 10 verringert) und der Erhöhung der Menge des Aluminiumzusatzes (die auch die Volumenprozente von LaNi₅ für das mit Aluminium gemischte Metallhydridmaterial verringert) für ihre jeweiligen Zwecke sind nachfolgend in den Tabelle 1–2 und in dem Graph von 7 gezeigt. Tabelle 1 – Mikrofachwerk mit integriertem Kohlenstoff

LaNi₅ (Vol.-%) 90 80 70

C (Vol.-%) 3,2 6,8 11,1

LaNi₅ (Gew.-%) 96,8 93,2 88,9

Tabelle 2 – Aluminiumzusätze

Al (Gew.-%) 10 15 20

Al (Vol.-%) 22,8 31,9 39,9

LaNi₅ (Vol.-%) 77,2 68,1 60,1
Wie zu erkennen ist, sind die gravimetrischen und volumetrischen Verluste von LaNi₅ viel kleiner für das Wasserstoffspeichermaterial 10, das in der durch ein integriertes Mikrofachwerk definierten Kohlenstoffmikrostruktur 14 eingebettetes LaNi₅ umfasst. Das Wasserstoffspeichermaterial 10 kann schätzungsweise einen Verlust an gravimetrischer Dichte von 3,2% bis 11,1% und einen Verlust an volumetrischer Dichte von 10% bis 30% von LaNi₅ erfahren, während die Zugabe von Aluminiumzusätzen in einer Menge, die zumindest vergleichbare Zuwächse in der thermischen Leitfähigkeit hervorbringt, schätzungsweise einen Verlust an gravimetrischer Dichte von 10% bis 20% und einen Verlust an volumetrischer Dichte von 22,8% bis 39,9% von LaNi₅ zur Folge hat. Die Kohlenstoffmikrostruktur 12 kann somit die Verbesserung der thermischen Volumenleitfähigkeit eines Metallhydridmaterials verbessern und gleichzeitig damit verbundene Energiedichteverluste minimieren.
Die obige Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung ist rein beispielhaft und soll den Schutzumfang der Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen nicht einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7382959 [0034]

Claims

Produkt, welches umfasst: eine Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenzelligen Grundgerüst, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die wiederholte und integrierte Elementarzellen bilden, sodass die Kohlenstoffmikrostruktur ein offenes Volumen im Bereich von etwa 70 Prozent bis etwa 95 Prozent aufweist, und ein Metallhydridmaterial, welches in das offenen Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet ist; wobei die Kohlenstoffmikrostruktur thermisch besser leitfähig ist als das Metallhydridmaterial.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das Metallhydridmaterial zumindest ein/e hydrierbare/s Metall oder Legierung umfasst.
Produkt nach Anspruch 2, wobei das Metallhydridmaterial zumindest eine Legierung mit der allgemeinen Formel AB₅, AB, A₂B oder AB₂ umfasst, wobei A und B ein Metallelement repräsentieren.
Produkt, welches umfasst: eine Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenzelligen Grundgerüst, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die sich an beabstandeten und ausgerichteten Knoten gegenseitig durchdringen, um ein dreidimensionales Mikrofachwerk mit wiederholten und integrierten Elementarzellen zu bilden, wobei die Kohlenstoffmikrostruktur zumindest 90 Gewichtsprozent glasförmigen Kohlenstoff auf der Basis des Gesamtgewichts der Kohlenstoffmikrostruktur umfasst, die Elementarzellen des dreidimensionalen Mikrofachwerks vier Kohlenstoffsegmente umfassen, die sich an einem der Knoten gegenseitig durchdringen, um gegenüberliegende vierseitige pyramidenförmige Hälften zu bilden, die Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten ein. Dicke aufweist und die Knoten voneinander in einer Ebene des Mikrofachwerks um eine Distanz beabstandet sind, um die Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenen Volumen im Bereich von etwa 70% bis etwa 95% zu versehen, und wobei zumindest eines der Kohlenstoffsegmente innere Risse aufweist; und ein Metallhydridmaterial, das in die Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet ist.
Produkt nach Anspruch 4, wobei die Kohlenstoffmikrostruktur eine Raumdichte im Bereich von etwa 0,07 g/cm³ bis etwa 0,60 g/cm³ aufweist, wobei die Dicke der Kohlenstoffsegmente im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 500 μm liegt und wobei die Distanz, um die die Knoten in einer Ebene des Mikrofachwerks voneinander beabstandet sind, im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 5 mm liegt.
Produkt nach Anspruch 4, wobei die Kohlenstoffmikrostruktur ferner zumindest einen Oberflächenbelag aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit umfasst und wobei der Oberflächenbelag in etwa 0,1 bis etwa 10 Gewichtsprozent auf der Basis des Gesamtgewichts der Kohlenstoffmikrostruktur vorhanden ist.
Produkt nach Anspruch 6, wobei der zumindest eine Oberflächenbelag entweder eine Vielzahl von kleinen Anhäufungen aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit auf zumindest einem der Kohlenstoffsegmente oder eine dünne kontinuierliche Beschichtung aus dem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit auf zumindest einem der Kohlenstoffsegmente umfasst.
Verfahren, welches umfasst, dass: eine Kohlenstoffmikrostruktur mit einem offenzelligen Grundgerüst vorgesehen wird, das zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kohlenstoffsegmenten definiert ist, die wiederholte und integrierte Elementarzellen bilden, sodass die Kohlenstoffmikrostruktur ein offenes Volumen im Bereich von etwa 70 Prozent bis etwa 95 Prozent aufweist, und ein Metallhydridmaterial in das offene Volumen der Kohlenstoffmikrostruktur eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Einbetten des Metallhydridmaterials umfasst, dass: ein hydrierbares Metall- oder Legierungs-Vorläufermaterial in die Kohlenstoffmikrostruktur geschmolzen wird; das hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufermaterial abgekühlt wird; und das hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufermaterial hydriert wird, um Wasserstoff in dem hydrierbaren Metall- oder Legierungsvorläufermaterial einzubauen und das Metallhydridmaterial mit einer Wasserstoffpeicherkapazität zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Einbetten des Metallhydridmaterials umfasst, dass: ein hydrierbares Metall- oder Legierungs-Vorläufermaterial zu einem Pulver mit vorbestimmter Feinheit gemahlen wird; das Pulver aus dem hydrierbaren Metall- oder Legierungs-Vorläufermaterial in die Kohlenstoffmikrostruktur hinein gefiltert wird; und das hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufermaterial hydriert wird, um Wasserstoff in das hydrierbare Metall- oder Legierungsvorläufermaterial einzubauen und das Metallhydridmaterial mit einer Wasserstoffspeicherkapazität zu bilden.