Nanostrukturierte Materialien für die Wasserstoffspeicherung

Lars Röntzsch

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik & Angewandte Materialforschung

Institutsteil Dresden für Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe

Winterbergstraße 28, 01277 Dresden

www.ifam-dd.fraunhofer.de

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Kontakt:lars.roentzsch@ifam-dd.fraunhofer.de (fon: + 49 351 253 7411, mobil: + 49 172 271 5859)

Quelle: A. Züttel

Fraunhofer FEP

Institut für Elektronen-

strahl- und Plasmatechnik

Fraunhofer IFAM

Institut für Fertigungs-

technik und Angewandte

Materialforschung

Fraunhofer IKTS

Institut für Keramische

Technologien und

Systeme

Fraunhofer IWS

Institut für Werkstoff- und

Strahltechnik

IWS

FEP

IFAM

IKTSIWSIWS

Luftbild IZD

FEPFEP

IFAMIFAM

IKTSIKTS

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Fraunhofer Institutszentrum Dresden, Winterbergstraße 28

H2-S

peic

heru

ng

+ Komposite (C, ...)Quelle: BMW Group

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

H2-S

peic

heru

ng

Quelle: A. Züttel

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

H-Speicherdichten im Vergleich

Quelle: Schlapbach, Züttel

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

H-Speicherdichten im Vergleich

50mbar Überdruck

V=115.000m³

Gleiche Menge an Wasserstoff im Feststoff: Metallhydrid, z.B. MgH2

Mg-Würfel (a=4,03m) MgH2-Würfel (a=4,39m)Miniaturisierung!

vor 100 Jahren: Erlwein-Gasometer (1908)

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Quelle: SLUB Dresden

DoE-Ziele:

H2 Gas Metallhydrid

Stadien der Hydrid-Bildung

pot. Energie

Gitter-Dilatation

M + x/2 H2 MHx + WärmeAdsorption

Dissoziation

(Katalysator!)

alpha-Phase

(Gitter-Gas)

beta-Phase

(Hydrid)

Quelle: nach Schlapbach, Züttel

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

p-c-T-DiagrammVan't-Hoff-Gerade

Thermodynamik

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Quelle: Schlapbach, Züttel

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

konventionelle

(Mikro-)Struktur Nanostruktur

große ‚innere‘ Oberfläche

Korngrenzen, Defekte wirken

als ‚Autobahnen‘ der H-Diffusion

Zeit:

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Zeit:

Schnellere Kinetik durch Nanostrukturierung (KMC Simul.)

Schnellere Kinetik der Be- und Entladung

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Methoden der Nanostrukturierung

Hochenergiemahlen (“top-down”)

mechanischer Energieeintrag

neue Oberfläche wird geschaffen

Kristalldefekte (Korngrenzen) entstehen

Mahlen unter Ar od. H2

Hochdruck-Mahlsystem bis 150bar H2(Prevention von Oxidation, H-induzierte Amorphisierung etc.)

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Methoden der NanostrukturierungBsp.: Mg-Ni-Y

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Melt-spinning (“bottom-up”)

Rascherstarrung einer metall. Schmelze

(Kühlrate bis 1Mio. Kelvin per Sekunde)

Prozessierung in inerter Atomsphere

Massenproduktion möglich (high-yield)

nanokristalline Bänder Häckseln

Kompaktieren Hydrieren Dehydrieren ...

nanokristalline Bänder, 30μm dick

20nm 20nm

100nm 100nm

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Bsp.: Mg-Ni-Y

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Nanokristallines Mg-Ni-Y in Hochauflösung (TEM)

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Hochenergiemahlen

Rascherstarrung

• Probenmasse: bis 10g

• Auflösung: 10μg

• Druckbereich: Vakuum ... 350 bar

• Temperaturbereich: RT bis 400°C

• Desorption bei BZ Arbeitsdruck (2-8 bar H2)

Magnetschwebewaage

Reaktor und Wägeapparat getrennt

Wasserstoff-Sorptionskinetik via Thermogravimetrie (TGA)

Quelle: Rubotherm

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Institutsteil Dresden

Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

• Probenmasse: bis 10g

• Auflösung: 10μg

• Druckbereich: Vakuum ... 350 bar

• Temperaturbereich: RT bis 400°C

• Desorption bei BZ Arbeitsdruck (2-8 bar H2)

Magnetschwebewaage

Reaktor und Wägeapparat getrennt

Wasserstoff-Sorptionskinetik via TGA

Quelle: Rubotherm

Zeit

Hydrid

Container Ventil

Quelle: A. Raheim

Quelle: J. TöplerProblematik: Hydrid-Kartusche

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Pulvermetallurgie & Verbundwerkstoffe

Danke für die Aufmerksamkeit.☺

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Kontakt:lars.roentzsch@ifam-dd.fraunhofer.de (fon: + 49 351 253 7411, mobil: + 49 172 271 5859)