Relevant physical aspects of hydrides for system integration and safety (SafeSyst)

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 102316

Kurzbeschreibung (Englisch)

Hydrogen as a potential energy carrier poses new opportunities and challenges towards safety. Solid hydrogen storage in complex hydrides offers very high energy density but require profound knowledge of the material properties. They are highly reactive materials and can be potentially hazardous. Assessment of surface reactivity with impurities and air, passivation mechanisms and decomposition by-products where issues currently not addressed and have been investigated in the project. On borohydrides, the release of diborane not only poses a functional barrier through loss of a reaction partner, it poses also a health hazard in potential release to ambient. These aspects where studied in the framework of SafeSyst.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Hydrogen as a potential energy carrier poses new opportunities and challenges towards safety. Solid hydrogen storage (metal- of complex hydrides) offers high volumetric and gravimetric hydrogen densities and therefore a very high energy density. This requires profound knowledge of the material properties. Complex hydrides are highly reactive materials and can be potentially hazardous. Assessment of surface reactivity with impurities and air, passivation mechanisms and decomposition by-products are issues currently not addressed. We will investigate these issues by means of ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) along with MS (Massspectroscopy) as a function of temperature. Temperature and therefore heat management are the essential parameters in solid hydrogen sorption and can be seen as inherent safety to uncontrolled release. Desorption and adsorption are endo-/exothermal processes and therefore thermal management is a key issue. Thermal conductivity, from phononic contributions over intergrain conductivity has to be understood to implement these materials in a system in the future. Especially, on complex hydrides these questions are not yet understood. In this project, we will assess the thermal conductivity of solid hydrogen storage materials in a “bottom-up” approach. We plan to contribute to IEA Task 18 (Demonstrations) and IEA Task 19 (Safety). Furthermore, a close collaboration with SwissRe in order to elaborate a safety report as a basis for the definition of safety standards (Activities of Task 19) is planed.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Züttel,Andreas
Bielmann,Michael

Zugehörige Dokumente

• Relevant Physical Aspects of Hydrides for System Integration and Safety (SAFSYST) - Jahresbericht 2007 [PDF] 145 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Die Wasserstoff-Speicherung wird als Kernherausforderung für zukünftige Anwendungen für Wasserstoff als Energieträger gesehen. Die Speicherung in Festkörpern - speziell komplexen Hydriden - verspricht höchste Energiedichten. Diese hochreaktiven Materialien können jedoch potentiell gesundheitsschädigend sein. Spezifisch die Klasse der Borhydride kann Diboran emittieren, welches nicht nur zum Verlust der Funktionalität sondern auch eine Gefahr für die Umwelt darstellt. Die Reaktion dieser Materialien mit Wasser und Sauerstoff als potentielle Interaktionspartner bei Atmosphärenexposition wurde untersucht, um Effekte der Passivierung und Reaktionsprodukte im Rahmen des Projektes SafeSyst zu ermitteln. Dies bildet einen Grundstein zur Lagebeurteilung über die Reaktion dieser Materialien im Umgebungskontakt. Als zusätzlicher Aspekt wurde die Diboran-Emission bei der thermischen Zersetzung von Borhydriden untersucht. Dies mit dem Ziel, den Mechanismus zu verstehen und Wege zu finden um dies zu unterbinden. Die Reaktivität von Borhydriden zeigte sich unerwartet unreaktiv bezüglich Sauerstoff-Exposition, jedoch eine höhere Reaktivität bezüglich H2O. Die Reaktion mit O2 führt zu einer passivierenden Schicht, die sich rein auf die Oberfläche beschränkt. Aus diesen Ergebnissen entstand eine internationale Zusammenarbeit, in welcher der Desorptionsmechanismus von AlH3 fruchtbar erklärt werden konnte. Es wurde festgestellt, dass bei Diboran nur bei hohen Temperaturen thermisch zersetzt. Somit steht dies im Konflikt zu den Bestrebungen einer tiefen Desorptionstemperatur und muss katalytisch zersetzt werden. Die Wechselwirkung mit Oxiden führte zu einer wesentlichen Reduktion der Diboran-Emissionen bei tiefen Temperaturen, eines der Projektziele. Auf der anderen Seite steht die künstliche Erhöhung der Diboran- Emissionen über ZnCl als notwendiges Schlüsselelement zur künstlichen Synthese von Borhydriden heraus, welche bisher nur nasschemisch erzeugt werden konnten und jetzt direkt aus den Elementen hergestellt werden kann.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bielmann,Michael
Züttel,A.

Schlussbericht (Englisch)

Hydrogen as a potential energy carrier poses new opportunities and challenges towards safety. Solid hydrogen storage in complex hydrides offers very high energy density but require profound knowledge of the material properties. They are highly reactive materials and can be potentially hazardous. Assessment of surface reactivity with impurities and air, passivation mechanisms and decomposition by-products where issues currently not addressed and have been investigated in the project. On borohydrides, the release of diborane not only poses a functional barrier through loss of a reaction partner, it poses also a health hazard in potential release to ambient. These aspects where studied in the framework of SafeSyst. Surface reactivity under exposure to O2 and H2O has been extensively studied on Borohydrides as most likely reactive candidates under air exposure. Even the most reactive borohydride (LiBH4) showed a surprisingly low reactivity towards O2, but a much higher reactivity towards H2O. Exposure to O2 yields a passivation layer by forming a surface oxide but leaving the bulk intact. Through these works, a successful international collaboration developed where we could investigate and explain the desorption mechanism of AlH3 fruitfully. It has been found, that thermal decomposition of Diborane is only promoted at higher temperatures. This is in conflict with the aim of reaching lower desorption temperatures for these materials. The decomposition therefore has to be promoted catalytically. It could be shown that iInteraction with surface oxides substantially reduced diborane emissions, a key goal of the study. Artificially increasing diborane emission by ZnCl on the other hand turned out to be the key element for successful synthesis of borohydrides from the elements, a procedure which demanded wet chemical processing so far. It enables the synthesis of new materials of this class for future investigation.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bielmann,Michael
Züttel,A.

Zugehörige Dokumente

• SAFESYST | Relevant Physical Aspects of Hydrides for System Integration and Safety - Schlussbericht [PDF] 1'513 kB