Material zum Speichern von WasserstoffMaterial for storing hydrogen
Die Erfindung betrifft ein Material zum Speichern von Wasserstoff.The invention relates to a material for storing hydrogen.
Der Nachteil von Metallhydrid-Speichern besteht darin, dass zur Wasserstoff-Rückgewinnung hohe Temperaturen nötig sind. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Speichermaterial für Wasserstoff zur Verfügung zu stellen, bei dem die Wasserstoff-Rückgewinnung bei niedrigeren Temperaturen möglich ist.The disadvantage of metal hydride storage systems is that high temperatures are required for hydrogen recovery. The object of the invention is to provide a storage material for hydrogen, in which hydrogen recovery is possible at lower temperatures.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by the features of patent claim 1. The subclaims describe advantageous embodiments of the invention.
Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass Metalle bei der Aufnahme von Wasserstoff eine Dehnung (Volumenvergrößerung) erfahren. Wenn diese Dehnung durch mechanische Kräfte behindert wird, dann ändert sich die Energetik des Wassersto feinbaus Die Erfindung nutzt diesen Effekt aus, um die Bindungsenthalpie des Metalls für Wasserstoff in Richtung auf einen stärker positiven Wert zu ändern, das heißt, um die Wechselwirkung zwischen dem Metall und Wasserstoff weniger anziehend zu machen.The invention is based on the fact that metals experience an expansion (volume increase) when they absorb hydrogen. If this expansion is hindered by mechanical forces, then the energetics of the hydrogen structure change. The invention uses this effect to change the enthalpy of binding of the metal for hydrogen towards a more positive value, that is, the interaction between the metal and make hydrogen less attractive.
In ein konventionelles Metall mit Tendenz zur Hydridbildung, welches prinzipiell als Speichermaterial geeignet ist (Matrix) , werden steife Fasern oder Partikel einer zweiten Phase (inerte Phase) fein verteilt eingebracht. Die Fasern oder Partikel sind dabei inert, d. h. im Intervall von Temperatur und Wasserstoffpartialdruck nahe des Phasenübergang der Matrix ändert sich der Wasserstoffgehalt in der inerten Phase nicht wesentlich, im Allgemeinen ist er verschwindend. Dies hat zur Folge, dass die Matrix beim hydrieren Kräfte auf die Fasern oder Partikel der inerte Phase ausübt. Sind die Fasern oder
- Z - Partikel geeignet fein verteilt, so werden sie die mechanischeStiff fibers or particles of a second phase (inert phase) are finely divided into a conventional metal with a tendency to form hydrides, which is in principle suitable as a storage material (matrix). The fibers or particles are inert, ie the hydrogen content in the inert phase does not change significantly in the interval of temperature and hydrogen partial pressure near the phase transition of the matrix, in general it is vanishing. As a result, the matrix exerts forces on the fibers or particles of the inert phase during the hydrogenation. Are the fibers or - Z particles suitably finely divided, so they become mechanical
Koherenz zur Matrix beibehalten, das heißt, sie werden elastisch gedehnt. Die Bindungsenthalpie des Wasserstoff im Kompositmaterial ist dann die Summe aus der (negativen, d.h. bindenden) chemischen Bindungsnethalpie des konventionellen Matrixmaterials und aus der (positiven, d.h. abstoßenden) mechanischen Verformungsenergie, die bei der Verformung der Matrix (in Folge der Wasserstoffaufnahme) in den Fasern oder Partikeln der inerten Pahse gespeichert wird. Insgesamt ist damit die Bindungsenthalpie erniedrigt.Maintain coherence with the matrix, that is, they are stretched elastically. The enthalpy of binding of the hydrogen in the composite material is then the sum of the (negative, i.e. binding) chemical bond enthalpy of the conventional matrix material and the (positive, ie repulsive) mechanical deformation energy that occurs when the matrix is deformed (as a result of the hydrogen absorption) in the fibers or particles of the inert phase are stored. Overall, the enthalpy of binding is reduced.
Ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Material ist Magnesium mit einer Verstärkung aus statistisch orientierten Kohlenstof- fasern mit Druchmesser im sub-micrometer Berreich. Alternativ sind Metallegierungen (z. B. Mg-Cu) und intermetallische Verbindungen (z. B. Mg2Ni oder LaNis) mögliche Matrixmaterialien; für die Fasern kommen metallische oder mineralische Substanzen in Betracht (z. B. AI, B, oder SiC) . Ein derartiger Komposit kann durch Infiltration der Metallschmelze in einen Filz oder ein Gewebe aus Fasern hergestellt werden. Ein alternatives , Verfahren ist das Extrudieren eines Gemisches aus Fasern und Metallpulver. Das Endmaterial kann durch Kugelmahlen zerkleinert und in der MikroStruktur verfeinert werden, um die Kinetik der Absorption und Desorption zu verbessern.An example of a material according to the invention is magnesium with a reinforcement made of statistically oriented carbon fibers with a diameter in the sub-micrometer range. Alternatively, metal alloys (e.g. Mg-Cu) and intermetallic compounds (e.g. Mg 2 Ni or LaNis) are possible matrix materials; metallic or mineral substances (e.g. Al, B, or SiC) are suitable for the fibers. Such a composite can be produced by infiltration of the molten metal into a felt or a woven fabric made of fibers. An alternative method is to extrude a mixture of fibers and metal powder. The final material can be ground by ball milling and refined in the microstructure to improve the kinetics of absorption and desorption.
Wir betrachten als Beispiel einen Volumenanteil f der Fasern von 10 %, und einen Elastizitätsmodul Y der Kohlenstofffasern von 700 GPa; die lineare Dehnung E der Matrix bei der Bildung des Hydrids sei 10%. Die bei der Dehnung der Fasern gespeicherte Arbeit pro Volumen ist w = E2 f Y, im Beispiel w = 0.35 * 109 J/m3. Bei einem Molvolumen von 0.7 * 10~5 m3/mol (H in MgH2) ergibt dies, umgerechnet auf 1 mol H, eine Reduktion der molaren Bindungsenthalpie ΔH um 2.5 kJ/mol. Dies entspricht, bei einer Arbeitstemperatur von T = 373 K (100 °C) , einer Erhöhung des Desorptionsdruckes um den Faktor exp(2
ΔH/ RT) = 5.0. Entsprechend kann natürlich auch, bei vorgegebenem Desorptionsdruck, die Arbeitstemperatur gesenkt werden.As an example we consider a volume fraction f of the fibers of 10% and an elastic modulus Y of the carbon fibers of 700 GPa; the linear elongation E of the matrix when the hydride is formed is 10%. The work per volume stored in the stretching of the fibers is w = E 2 f Y, in the example w = 0.35 * 10 9 J / m 3 . With a molar volume of 0.7 * 10 ~ 5 m 3 / mol (H in MgH 2 ), this results in a conversion of the molar enthalpy of binding ΔH by 2.5 kJ / mol, converted to 1 mol H. At a working temperature of T = 373 K (100 ° C), this corresponds to an increase in the desorption pressure by the factor exp (2nd ΔH / RT) = 5.0. Correspondingly, the working temperature can of course also be reduced at a given desorption pressure.
Der prinzipiell neue Aspekt des hier vorgeschlagenen Ansatzes besteht darin, die aus den Untersuchungen an Korngrenzen gewonnene Erkenntnis gezielt in einzusetzen, um optimale Materialkombinationen und Geometrien herzustellen, welche den Effekt maximieren.The fundamentally new aspect of the approach proposed here is to use the knowledge gained from the investigations on grain boundaries in a targeted manner in order to produce optimal material combinations and geometries that maximize the effect.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Dichte Lagen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen ( 'Nanotube-Paper ' ) können nach der in der Literatur beschriebenen Methode präpariert werden (M.M. Kappes, 'Carbon based nanotechnology? ' , Nachrichten Forschungszentrum Karlsruhe 32 (1999), 64. S. Ban- dow, S. Asaka, Y. Saito, A.M. Rao, L. Grigorian, E. Richter, und P.C. Eklund, 'Effect of the Growth Temperature on the Diameter-Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes ' , Phys . Rev. Lett. 80 (1998), 3779. S. Bandow, A.M. Rao, K.-A. Williams, A. Thess, R.E. Smalley, und P.C. Eklund, ' Purification of Single-Walled Nanotubes by Microfiltration', J. Phys. Chem. B 101 (1997), 8839.). Für unsere Anwendung kommen sowohl einwandige als auch mehrwandige Nanoröhrchen in Betracht. Mehrere derartige Lagen werden gestapelt und komprimiert, so daß die Nanoröhrchen einen Volumenanteil von 10 % - 30 % einnehmen.Dense layers of carbon nanotubes ('nanotube paper') can be prepared using the method described in the literature (MM Kappes, 'Carbon based nanotechnology?', Nachrichten Forschungszentrum Karlsruhe 32 (1999), 64. S. Bandow, S. Asaka, Y. Saito, AM Rao, L. Grigorian, E. Richter, and PC Eklund, 'Effect of the Growth Temperature on the Diameter-Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes', Phys. Rev. Lett. 80 ( 1998), 3779. S. Bandow, AM Rao, K.-A. Williams, A. Thess, RE Smalley, and PC Eklund, 'Purification of Single-Walled Nanotubes by Microfiltration', J. Phys. Chem. B 101 ( 1997), 8839.). Both single-walled and multi-walled nanotubes come into consideration for our application. Several such layers are stacked and compressed so that the nanotubes have a volume fraction of 10% - 30%.
Der so geformte poröse Körper wird mit einer Schmelze aus Mg (die tiefgestellten Ziffern bezeichnen den Molenbruch der Komponenten) nach der Methode des ' Squeeze-Casting' (S.-Y. Chang, H. Tezuka, and A. Kamino, 'Mechanical Properties and Fracture Process of SiC/Mg Composites by Squeeze Casting and Extrusi- on', Mater. Trans., JIM 38 (1997), 18.) infiltriert.
Als Matrix kommen neben Mg die folgenden Speichermaterialien in Frage: reine Metalle (Pd, Mg), Legierungen (Mg-Cu, Pd-X wobei X = Ag, Au, Ni, Y, Sn, Pb) , intermetallische Verbindungen (Mg2Ni, LaNi5, TiFe, ZrV2) sowie Phasengemische (Na/Al oder NaH/Al) .The porous body thus formed is coated with a melt of Mg (the subscripts denote the mole fraction of the components) according to the method of 'squeeze casting' (S.-Y. Chang, H. Tezuka, and A. Kamino, 'Mechanical Properties and Fracture Process of SiC / Mg Composites by Squeeze Casting and Extrusion ', Mater. Trans., JIM 38 (1997), 18). In addition to Mg, the following storage materials can be used as a matrix: pure metals (Pd, Mg), alloys (Mg-Cu, Pd-X where X = Ag, Au, Ni, Y, Sn, Pb), intermetallic compounds (Mg2Ni, LaNi5 , TiFe, ZrV2) and phase mixtures (Na / Al or NaH / Al).
Zur Verbesserung der Adsorptions- und Desorptionskinetik kann das Kompositmaterial durch Hochenergie-Kugelmahlen bis zu einer Partikelgröße von zwischen 1 μ und 100 μm (im Fall der Nanoröhrchen) bzw. um etwa 100 μm (im Fall der konventionellen Fasern) zerkleinert werden. Bei diesem Prozeß können durch Zugabe 1 bis 10 at-% von pul erförmigen Metallen (V, Nb, Ti, Pd) oder Metalloxiden (VO, NbO) die jeweiligen Substanzen feindispers auf den Kompositpartikeln verteilt werden; dies verbessert aufgrund de katalytischen Beschleunigung der Dissoziation von H2 in bekannter Weise (G. Liang, J. Huot, S. Boily, and R. Schulz, 'Hydrogen Desorption Kinetics of a Mechanically Milled MgH2 + 5 at . % V Nanocomposite ' , J. Alloys Comp. 305 (2999), 239.) die Adsorptions-bzw. Desorptionskinetik.To improve the adsorption and desorption kinetics, the composite material can be crushed by high-energy ball milling up to a particle size of between 1 μ and 100 μm (in the case of nanotubes) or by approximately 100 μm (in the case of conventional fibers). In this process, the respective substances can be finely dispersed on the composite particles by adding 1 to 10 at% of powdery metals (V, Nb, Ti, Pd) or metal oxides (VO, NbO); this improves due to the catalytic acceleration of the dissociation of H2 in a known manner (G. Liang, J. Huot, S. Boily, and R. Schulz, 'Hydrogen Desorption Kinetics of a Mechanically Milled MgH2 + 5 at.% V Nanocomposite', J Alloys Comp. 305 (2999), 239.) the adsorption or. Desorption kinetics.
Bei der Ausführung ist es wesentlich, dass zwischen Speichermaterial ('Matrix') und Verstärkung ('Fasern') bei der Beladung mit H mechanische Kohärenz erhalten bleibt. Die Kohärenz führt dazu, dass sich bei der Absorption von H im Speichermaterial, aufgrund der damit einhergehenden Volumendehnung, mechanische Spannungen unterschiedlichen Vorzeichens in Matrix und Fasern aufbauen. Es ist erforderlich, dass:In the implementation, it is essential that mechanical coherence is maintained between the storage material ('matrix') and the reinforcement ('fibers') when loaded with H. The coherence means that the absorption of H in the storage material, due to the associated volume expansion, creates mechanical stresses of different signs in the matrix and fibers. It is required that:
(i) in der Matrix ein hoher Druck aufgebaut wird; dazu müssen die Fasern einen hohen Youngmodul in Faserrichtung besitzen.(i) high pressure is built up in the matrix; the fibers must have a high Young's modulus in the direction of the fibers.
(ii) die Fasern nicht reißen; dazu uss die Festigkeit hoch sein.(ii) do not tear the fibers; in addition, the strength must be high.
(iii) die Fasern nicht an der Grenzfläche zur Matrix
abgleiten .(iii) the fibers are not at the matrix interface slide off.
Die Anforderungen an den Modul und an die Festigkeit werden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfüllt. Alternativ zu den Nanoröhrchen können Kohlenstofffasern mit hohem Modul und mit einem Durchmesser von wenigen μm zum Einsatz kommen (zum Beispiel zu beziehen von der Firma Goodfellow, Qualität P100, Durchmesser 10 μm, Young-Modul 720 GPa, oder Qualität F500, Durchmesser 9 μm, Young-Modul 500 GPa) , sowie metallische oder mineralische Fasern in Betracht (z. B. AI, B, oder SiC) . Da die Schubspannung an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix annähernd linear mit dem Durchmesser der Faser anwächst werden dünne Fasern mit Durchmessern zwischen 1 nm (Kohlenstoff- Nanoröhrchen) und 10 μm (kommerzielle Kohlenstofffasern) eingesetzt um das Abgleiten an der Grenzfläche zu verhindern.
The requirements for the module and the strength are met by carbon nanotubes. As an alternative to the nanotubes, carbon fibers with a high modulus and a diameter of a few μm can be used (for example, to be obtained from Goodfellow, quality P100, diameter 10 μm, Young module 720 GPa, or quality F500, diameter 9 μm, Young's module 500 GPa), as well as metallic or mineral fibers (e.g. AI, B, or SiC). Since the shear stress at the interface between fiber and matrix increases almost linearly with the diameter of the fiber, thin fibers with diameters between 1 nm (carbon nanotubes) and 10 μm (commercial carbon fibers) are used to prevent slipping at the interface.