SwRI與圣瑪麗大學合作開發(fā)金屬氫化物儲氫退化預測工具

美國Southwest Research Institute與St. Mary’s University正在合作開發(fā)一種基于物理的預測工具，用于通過化學與熱-力學框架預測TiFe基金屬氫化物儲氫容器的退化與耐久性。

該項目獲得了來自St. Mary’s-SwRI Technology and Applied Research（S2TAR）計劃的125,839美元新資助。該計劃旨在促進兩家機構(gòu)研究人員之間的合作。

金屬氫化物是由金屬或合金與氫反應(yīng)形成的化合物，通常為粉末。金屬氫化物可以通過一種稱為化學吸附的過程，將氫鎖定并儲存在晶格中。它們被認為是目前最安全、最緊湊的固態(tài)儲氫方式之一。

“金屬氫化物在中等壓力下像海綿一樣吸收氫氣，既沒有高壓儲氫罐的爆炸風險，也沒有液氫帶來的能耗成本，”SwRI動力總成工程部門研究工程師、項目聯(lián)合負責人Richard S. Fu博士表示。“阻礙其作為儲氫容器更廣泛應(yīng)用的一個未解決問題是其低耐久性。在多次充放氫循環(huán)后，合金粉末會發(fā)生破碎，粉床會發(fā)生致密化，容器性能會悄然退化。”

目前，用于預測這些容器退化的方法都依賴昂貴且耗時的物理測試。Fu博士與圣瑪麗大學機械工程助理教授、項目聯(lián)合負責人Mohamed Shaat博士希望用高保真建模框架取代傳統(tǒng)的長周期物理測試。

通過結(jié)合基于物理的仿真與針對性驗證測試，團隊希望建立一種能夠準確預測儲氫容器生命周期與耐久性的工具，從而推動金屬氫化物儲氫作為更可靠的固態(tài)儲氫解決方案的發(fā)展。

“氫作為一種多用途零排放能源載體具有巨大潛力，可支持可再生能源整合與更廣泛的脫碳努力，”Shaat表示。“但與任何新興技術(shù)一樣，其實際應(yīng)用需要克服重要的科學與工程挑戰(zhàn)。本項目結(jié)合建模與實驗的互補優(yōu)勢，有助于更好理解影響儲氫性能與耐久性的機制。”

在圣瑪麗大學，Shaat將主導開發(fā)一個綜合性的熱力學與多物理場建模框架，用于描述與儲氫相關(guān)的耦合化學、熱與力學過程，例如氫擴散、化學吸附、相變、熱傳遞與應(yīng)力演化。該框架將用于建立能夠評估容器性能的模型，并識別可最大化系統(tǒng)耐久性與效率的設(shè)計與運行條件。

“我們的一個關(guān)鍵目標是將氫吸附與解吸的基礎(chǔ)物理轉(zhuǎn)化為高效預測模型，”Shaat表示。“通過理解氫傳輸、反應(yīng)、熱與力學機制如何相互作用——更重要的是，這些過程如何耦合——我們可以顯著降低評估儲氫系統(tǒng)的時間與成本，同時仍保持設(shè)計優(yōu)化與長期耐久性評估所需的精度。”

在SwRI，F(xiàn)u的團隊將開展受控循環(huán)實驗，以生成用于模型校準與驗證的數(shù)據(jù)。基于此前在氫儲存實驗方面的經(jīng)驗，團隊將在真實運行條件下進行長期循環(huán)與診斷測試。通過建模與實驗數(shù)據(jù)結(jié)合，團隊將能夠預測金屬氫化物儲氫容器在數(shù)百到數(shù)千次充放循環(huán)過程中的退化情況。

“通過在受控條件下對容器進行循環(huán)測試，我們正在揭示耦合的化學、熱與力學現(xiàn)象如何驅(qū)動性能退化，”Fu表示。“模型會告訴我們在實驗中該關(guān)注什么，而實驗則會告訴我們模型是否正確。”

該項目由圣瑪麗大學與Southwest Research Institute共同資助。S2TAR計劃為這一跨學科合作提供種子資金，旨在加強兩機構(gòu)之間的技術(shù)聯(lián)系，并培養(yǎng)長期合作關(guān)系，使團隊未來能夠共同申請并獲得來自聯(lián)邦及產(chǎn)業(yè)方的外部研究資金。

“我們感謝S2TAR計劃對該項目的支持，”Fu表示。“隨著模型不斷完善，這一工具將使該技術(shù)更具實用性，并創(chuàng)造更廣泛應(yīng)用的機會。這將推動固態(tài)儲氫研究與開發(fā)進入下一個階段。”

（素材來自：Southwest Research Institute/St. Mary’s University 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）