םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1....

38
1 מגמות חדשות בחומרים המשמשים לאגירת מימן ד" ר זמיר גברא הקריה למחקר גרעיני, נגב רותם תעשיות בע" מ24.12.06

Transcript of םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1....

Page 1: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

1

מגמות חדשו ת בחומרים המשמ שים ל אגירת מימן

ר ז מ יר גברא"דנגב,הקר יה ל מ חקר גרע ינ י מ "רות ם תע ש י ו ת בע

24.12.06

Page 2: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

2

Outline

• Overview of the global energychallenge

• Overview of the hydrogen Economy• Metal Hydrides and IMC• Complex Hydrides (Alanates)• AlH3 (Aluminum Hydride)• Nano materials• Carbon Nano Tubes• Borohydrides

Page 3: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

3

Motivation• World energy demand (30-60 Terawatts) by

2050

• Demographic expansion: 8.9 Billion by 2050.

• Global Climate warming

• Hydrogen economy (Energy carrier)

• Transportation in 2040 : 150 mega tonsH2/y

• On-board storage for vehicular applications.

Page 4: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

4

DOE targets for onDOE targets for on--boardboard

2.53Fill time – minutes/5kg hydrogen

2.71.5kWh/L

24Cost - $/kWh

32kWh/kg

9%6%Hydrogen weight %

20152010Feature \ Year

Page 5: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

5

Hydrogen Economy bottlenecks

• Production

• Storage

• Transportation shipping andhandling

• Infrastructure

Page 6: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

6

Page 7: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

7

Hydrogen Storage

Compressed gas tanks

Cryogenic liquid cylinder

Storage in materials

Page 8: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

8

Hydrogen Storage in Materials

Reversible solid-state materials regeneratedon-board:

1. Alloys and intermetallic compounds (IMC).

HydrideHMetal 2

Page 9: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

9

Gravimetric andVolumetric H-Densities

Hydride wt % H NH

H2 Gas (at 100ATM) 100 0.5 --

H2 Liquid (20° 100 4.2 --

LiH 12.7 5.9 -90.7

MgH2 7.6 6.6 -75.2

LaH2 2.1 6.8 -207.7

ZrH2 2.2 7.3 -165.9

UH3 1.3 8.4 -128.7

TiH2 4.0 9.1 -125.4

NH x 1022 = Number of H atoms/cm3

Page 10: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

10

Page 11: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

11

Page 12: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

12

• Pressure –Composition-Temperature Isotherms.

• Themodynamics:– Van’t Hoff plot (lnP vs.1/T)

Hydrides properties

R

S

RTLnP

S and H are negatives:Hydriding – exothermicDehydriding - endothermic

Page 13: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

13

Page 14: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

14

Hydrogen Storage Challenges:

Weight and volumeCostEfficiencyLife cycleRefueling time (heat problem)Codes and standards

Page 15: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

15

•Magnesium Hydride

•MgH2

7.6 wt% of hydrogen (851 liter H2 STP / Kg )

Reversible hydride

Life cycles

low cost

Environmental friendly material

Established know-how of over 2 decades at Rotem’s laboratories

BUT

H = -18.5 Kcal/mole H2

Peq = 1 atm at 300oC

Destabilization by alloying

Mg2NiH4 Peq = 1 atm at 280oC

combination of electrochemical and nanotechnology ??

Page 16: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

16

Page 17: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

17

alanatesH Content various

10.7NaBH4

18.5LiBH4

9.6

10.5

7.4

H, wt. %

Mg(AlH4)2

LiAlH4

NaAlH4

Alanate

Page 18: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

18

Page 19: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

19

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0

10

20

30

40

50

60

70

B. Bogdanovic et al. J. Alloys & Cpds. 302, 36, 2000.

PC Isotherm; Ti catalyzed NaAlH4

150o

C

1/3Na3AlH

6+2/3Al NaH+Al+1/2H2 (1.85 % wt.%H)

NaAlH4

1/3Na3AlH

6+2/3Al + H

2

(3.7 wt. %)P

eq,

atm

H/Al

Page 20: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

20

Complex Hydrides – A New Frontier for Future EnergyApplications

Vitalij K. Pecharsky et al, Iowa State University, Ames,

• Program Scope

• Synthesize an array of novel non-transition metal-based complexhydrides.

• Mechanochemical technique startingfrom several parent light-element hydrides.

• Fully characterization using state-of-the-art experimental techniques.

Page 21: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

21

Page 22: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

22

Van’t Hoff Plot for 2 alanate phases

K. J. Gross et al. Proc. Of 2000 DOE/NREL Program Review

Page 23: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

23

Nanotechnology andthe Hydrogen economy

• Storage of H2 in single wall carbonnanotubes (SWNT) of 98% purity.

• M. J. Heben (NREL): SWNT with internaldimensions of 1-2 nm shows 6.5 wt%H-capacity at R.T.

Hydrogen storage in carbon nanotubes

Page 24: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

24

High Throughput Screening of Nanostructured Hydrogen StorageMaterials

Mildred S. Dresselhausa et alMassachusetts Institute of Technology

• combinatorial materials synthesis approach, to identify high capacityhydrogen storage fast kinetics.

• Nanostructured metastable hydride materials for storing hydrogen bychemisorption and physisorption mechanisms, and with kinetics, enabled bythe small size and good heat transfer characteristics.

• Development of nanoporous hydride materials through the synthesis ofnanocomposite materials with finetuning of the process conditions.

• Development of materials characterization techniques.

• Development of models and simulations for understanding of size effectson the thermodynamics, kinetics, heat transfer in nanostructured hydrogenstorage materials.

Page 25: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

25

Page 26: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

26

AlH3

Page 27: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

27

Page 28: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

28

--AlHAlH33 (R(R--3c)3c)

Al metal (Al metal (fccfcc))

•Differential scanning calorimetry 30 - 300° C at 10° C/min

•Large endothermic peak at ~160°C from decompositionreaction:--AlHAlH33 Al + 3/2 HAl + 3/2 H22

HHff == --9.9 kJ/mol AlH9.9 kJ/mol AlH33

J. Graetz, et al., J. Alloys. Comp. (2006)

Thermodynamics of -AlH3

Page 29: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

29

Page 30: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

30

Page 31: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

31

Applications

• Fuel cells.

• Nickel metal hydride batteries.

• Getters.

• Sensors.

• Sorption cryocoolers.

• Heat Pumps

Page 32: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

32

PEM Fuel Cell

Page 33: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

33

במימן מונעות מכוניותיש• ולבדיקות200בעולם לניסוים .מכוניות•F-cellמרצדסמתוצרת

דחוס במימן -100טווח.ש"קמ140מהירות)Atm350(מונעת.מ"ק160

חום• פינוי של קריטית בעיה המילוי רדיאטורים(בתהליך

).ומאוורריםל• תיאורטית מספיק מימן של .מ"ק100-קילוגרםק• מימן"מחיר .Eur2.7גהובלה• תשתית ותחנות,בעיית .תידלוקחלוקההבא• F-600הדור

קמ,מ"ק400טווח,Atm700לחץ 170ש"מהירות.ש"קמ100-לsec11תאוצה

נוזלי• במימן מונעות .מכוניות

Page 34: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

34

METAL HYDRIDEELECTRODES

• AB5:

– LaNi5H6=372mAH/g

• AB2:

– VTiZrNiCrCoMnAlSn alloys (Ovonics)=440mAH/g

• 1000 cycles

• Degradation and corrosion in 6M KOH.

OHHABeOHAB 666 6525

OHHABeOHAB 333 3222

Page 35: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

35

Future Directions

• Reversible complex hydrides• Modification of alanates• Low-temperature reversible amides• Reversible borohydrides move from NaBH4 to LiBH4.

• Aluminum hydride:Determine the optimum AlH3 phasePerfect the metallurgical stimulation approach to achieve>8 wt.% H2 desorption at <100°C;Develop an off-board process to rehydride spent Al at acost less than the 2010 DOE target.

Page 36: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

36

Page 37: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

37

Applications

• Fiber optic sensors: color change WO3-H2(NREL – DCH Technology).

• Permanent magnet production (Nd-Fe-B)

• Chemical catalysis.

• Ammonia synthesis

Page 38: םירמוחב תושדח תומגמ ןמימ תריגאל םישמשמה Gavra.pdf · 2008. 1. 8. · the Hydrogen economy • Storage of H 2 in single wall carbon nanotubes (SWNT)

38

My activities

• Dilatometric and Electrochemical studiesof metal hydrides:

– H2 transport through oxide layers (CeO2,RuO2, Gd2O3).

– Hydrogen sensing by the above technique.