Magazynowanie wodoru-w stanie stałym znajduje się w centrum wąskiego gardła logistycznego gospodarki wodorowej. Dwie rodziny materiałów obejmują stopy typu AB₂-na bazie-tytanu-i wodorki na bazie-magnezu. Każdy ma mocne i słabe strony. Wybór zależy od zastosowania.
Pojemność: Ściana grawimetryczna
Wodorek magnezu (MgH₂) zapewnia teoretyczną zdolność magazynowania wodoru na poziomie 7,6% wag., najwyższą spośród odwracalnych materiałów-w stanie stałym [11†L7-L8). Ta zaleta grawimetryczna od lat utrzymuje magnez w czołówce badań opartych na wydajności.
Stopy AB₂ na bazie tytanu- działają w innym zakresie. Systemy TiMn₂ i TiCr₂ zazwyczaj zapewniają nominalną gęstość przechowywania 1,8–2,0% wag. [1†L29-L31]. Zoptymalizowane kompozycje, takie jak Ti0,75Zr0,25Cr0,75Mn1.2 + 1.5% wag. Ce, zwiększają poziom 1,87% wag. w skalowalnej produkcji [0†L27-L29]. Stopy BCC o wysokiej-entropii idą dalej – Ti32V32Nb18Cr9Mn9 osiąga 2,9% wag. [1†L9-L10]. Warianty Ti–Cr–V–Mn typu AB₂ przechowują 1,92% wag. nawet w temperaturze -10 stopni [10†L6-L9].
Jeśli chodzi o samą gęstość grawimetryczną, wygrywa magnez. Jednak porównanie ze światem rzeczywistym-jest bardziej zróżnicowane.
Kinetyka: aktywacja i jazda na rowerze
Tutaj leży decydująca różnica.
Wodorek magnezu wymaga temperatur odwodornienia około 280–300 stopni ze względu na silną stabilność wiązania Mg–H [3†L5-L6). Wysokie bariery termodynamiczne i powolna kinetyka ograniczają praktyczne zastosowanie bez zewnętrznego ogrzewania [4†L9-L11]. Strategie domieszkowania katalitycznego i nanoograniczania obniżają te progi – niektóre kompozyty PdNi@rGN obniżają temperaturę początkową odwodornienia do 140 stopni przy energii aktywacji 70,5 kJ·mol⁻¹ [11†L31-L34] – ale pozostają to osiągnięcia laboratoryjne, a nie standardy przemysłowe.
Stopy tytanu działają w temperaturze 20–50 stopni w pobliżu temperatury otoczenia. Eliminuje to potrzebę skomplikowanej infrastruktury grzewczej. Stopy z fazą Lavesa typu AB₂-, takie jak TiCrMn, absorbują i desorbują wodór w temperaturze od -30 do 80 stopni, dostosowując się zarówno do zimnego klimatu, jak i umiarkowanego ciepła bez układów pomocniczych [10†L34-L37].
Wymóg magnezu wynoszący 280 stopni sprawia, że jest on-niszowy w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Praca Titanium w temperaturze-pokojowej odpowiada bezpośrednio pokładowym magazynom samochodowym i stacjonarnym.
Kinetyka: aktywacja i jazda na rowerze
Stopy na bazie tytanu- wykazują korzystną skuteczność aktywacji bez obróbki wstępnej. Badania pokazują, że stopy na bazie Ti–Mn absorbują wodór w temperaturze pokojowej poniżej 5 MPa, dostarczając do 1,98% wag. bez wcześniejszych cykli aktywacji [1†L32-L36). Porowate struktury tytanowe przygotowane metodą metalurgii proszków-przy użyciu proszku Ti zmieszanego z Mn/Cr, prasowania izostatycznego na zimno i spiekania próżniowego w temperaturze 1200 stopni – umożliwiają odwracalne przechowywanie w temperaturze około 1,8% wag. przy znikomej histerezie i braku widocznego rozkładu w ciągu 10 cykli [9†L5-L8].
Głównym wąskim gardłem pozostaje kinetyka magnezu. Nawet w przypadku ko-katalizy Ni, Cr, Fe i Cu energia aktywacji uwodornienia i odwodornienia MgH₂ wymaga starannej inżynierii. Stabilność termiczna jest tak wysoka, że absorpcja wodoru wymaga ogólnie podwyższonych temperatur [3†L36-L37].
Stabilność podczas jazdy na rowerze wzmacnia przewagę tytanu. Stopy Ti-AB₂ charakteryzują się wydłużoną żywotnością cykliczną przekraczającą 1000 cykli przy zachowaniu pojemności na poziomie ponad 80% [1†L4-L6). Natomiast wodorek magnezu podlega cyklom zwiększania i kurczenia objętości podczas tworzenia i rozkładu wodorku, co prowadzi do proszkowania cząstek i spadku wydajności.
Bezpieczeństwo i ciśnienie robocze
Układy tytanowe działają poniżej 4 MPa w niskociśnieniowych-konfiguracjach w stanie stałym-w porównaniu z 70 MPa w przypadku zbiorników na sprężony wodór typu IV [1†L20-L21]. Niższe ciśnienie zmniejsza koszty zabezpieczenia i eliminuje ryzyko katastrofalnego pęknięcia.
Wodorek magnezu, choć teoretycznie bezpieczny, wymaga-pracy w wysokiej temperaturze. Ogrzewanie do 300 stopni wprowadza własne względy bezpieczeństwa.
