In-situ-Diagnostik von Metallhydrid-Verbundwerkstoffen bei zyklischer Hydrierung mittels Neutronen-Radiographie und -Tomographie

• Antragsteller: Professor Dr. John Banhart; Professor Dr.-Ing. Bernd Kieback
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269882611

Aus regenerativen Energiequellen erzeugter Wasserstoff wird als chemischer Energieträger für die Energiewende eine zunehmende Bedeutung erlangen. Bei der Realisierung eines H2-basierten Energiekreislaufs spielen Technologien der H2-Speicherung daher eine entscheidende Rolle. Im Vergleich mit Druckgas- bzw. Kryo-Speichern bieten Metallhydride (MH) die Vorteile, Wasserstoff mit hoher volumetrischer Speicherdichte (bis zu 150 g-H2/l; im Vgl. H2-Druckspeicher bei 700 bar max. 39 g-H2/l) und unter vergleichsweise niedrigem Druck (2-30 bar) bzw. bei moderater Temperatur (Raumtemperatur) ohne Abdampfverluste sicher zu speichern.Für die Realisierung von hochdynamischen MH-basierten Speichersystemen haben sich MH-Verbundmaterialien (MHV) aus einem Hydridbildner und einer zweiten Komponenten mit hoher Wärmeleitfähigkeit als sehr vorteilhaft erwiesen. Die hochwärmeleitfähige Komponente dient dazu, die bei der Hydridbildung bzw. -zersetzung auftretenden Reaktionswärmen zu transportieren, da das MH-Reaktionsbett in der Regel eine deutlich zu geringe effektive Wärmeleitfähigkeit aufweist (<1 W/(mK)), um rasche Be- und Entladungen zu ermöglichen. Für das Verständnis der unter realen Betriebsbedingungen von MH-basierten Speichersystemen ablaufenden Prozesse sind Methoden der In-situ-Diagnostik erforderlich. Wegen des hohen Wirkungsquerschnitts von H für Neutronenstrahlung ist die neutronenstrahlbasierte Bildgebung dafür bestens geeignet. Bildgebende Verfahren mit Neutronenstrahlung bieten die Möglichkeit, Wasserstoffverteilungen zerstörungsfrei, nicht-invasiv und in-situ quantitativ zu untersuchen. So können die Be- und Entladevorgänge nahezu in Echtzeit mit wenigen Sekunden Zeitauflösung bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung mit wenigen Mikrometern Pixelgröße untersucht werden. Neutronentomographie ist derzeit die einzige Messtechnik, die die dreidimensionale Verteilung von Wasserstoff in MHV mit hoher Auflösung abbilden und quantifizieren kann.In diesem DFG-Projekt sollen erstmalig mikroskopisch die Vorgänge der Phasenbildung während der Hydrierung-Dehydrierung von leichtmetallbasierten MHV (Mg- und Ti-Basislegierungen) und die sich daraus ergebenden morphologischen und Gefügeveränderungen der MHV mittels bildgebender In-situ-Methoden (Neutronenradiographie, -tomographie) in Echtzeit untersucht werden. Für die Zweitkomponente werden verschiedene hochwärmeleitfähige Graphitmodifikationen verwendet. Die Einflüsse der MHV-Phasenanteile (Dispersität, Anisotropie, Porengrößenverteilung), der Herstellungsparameter sowie der Gas- und Wärmetransfereigenschaften auf die Hydrierungs-/Dehydrierungskinetik und das Langzeitverhalten sollen durch systematische Parametervariation aufgeklärt werden. Aus den so gewinnbaren Erkenntnissen über die strukturellen Änderungen der MHV während der Wasserstoff-Festkörper-Reaktionen werden wertvolle Hinweise und Schlussfolgerungen für effizientere und langzeitstabilere Wasserstoff-Feststoffspeicher erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Ingo Manke; Dr. Lars Röntzsch