A szilárdtest-hidrogéntároló a hidrogéngazdaság logisztikai szűk keresztmetszetének középpontjában áll. Két anyagcsalád vezeti a töltet-titán-alapú AB₂- típusú ötvözeteket és a magnézium-alapú hidrideket. Mindegyiknek erősségei és hátrányai vannak. A választás az alkalmazástól függ.
Kapacitás: Gravimetrikus fal
A magnézium-hidrid (MgH₂) elméleti hidrogéntároló kapacitása 7,6 tömeg%, ez a legmagasabb a reverzibilis szilárd halmazállapotú anyagok között [11†L7-L8]. Ez a gravimetriai előny évek óta tartja a magnéziumot a kapacitásvezérelt kutatás élvonalában.
A titán-alapú AB₂-ötvözetek más tartományban működnek. A TiMn₂ és TiCr₂ rendszerek jellemzően 1,8–2,0 tömeg% névleges tárolási sűrűséget biztosítanak [1†L29-L31]. Az olyan optimalizált kompozíciók, mint a Ti0,75Zr0,25Cr0,75Mn1.2 + 1.5 tömeg% Ce, 1,87 tömeg% felé tolják a méretezhető termelést [0†L27-L29]. A nagy-entrópiájú BCC-ötvözetek tovább mennek – a Ti32V32Nb18Cr9Mn9 eléri a 2,9 tömeg%-ot [1†L9-L10]. Az AB2 típusú Ti–Cr–V–Mn változatok még –10 fokon is 1,92 tömeg%-ot tárolnak [10†L6-L9].
Csak a gravimetrikus sűrűség alapján a magnézium nyer. De a valós-világ összehasonlítása árnyaltabb.
Kinetika: aktiválás és kerékpározás
Itt van a döntő különbség.
A magnézium-hidrid 280-300 fok körüli dehidrogénezési hőmérsékletet igényel az erős Mg-H kötésstabilitás miatt [3†L5-L6]. A magas termodinamikai akadályok és a lassú kinetika korlátozza a gyakorlati alkalmazást külső fűtés nélkül [4†L9-L11]. A katalitikus adalékolás és a nanobezárási stratégiák csökkentik ezeket a küszöbértékeket – egyes PdNi@rGN kompozitok 140 fokra csökkentik a dehidrogénezés kezdő hőmérsékletét 70,5 kJ·mol⁻¹ [11†L31-L34] aktiválási energiával –, de ezek továbbra is ipari szabvány laboratóriumi eredmények maradnak.
A titánötvözetek 20–50 fokos hőmérsékleten, közel környezeti hőmérsékleten működnek. Így nincs szükség komplex fűtési infrastruktúrára. Az AB₂- típusú Laves-fázisú ötvözetek, mint például a TiCrMn –30 és 80 fok közötti hőmérsékleten abszorbeálják és deszorbeálják a hidrogént, alkalmazkodva mind a hideg éghajlathoz, mind a mérsékelt meleghez segédrendszerek nélkül [10†L34-L37].
A magnézium 280 fokos követelménye megőrzi a magas hőmérsékletű-hőmérsékletű alkalmazásokban. A Titanium szobahőmérsékletű-működése közvetlenül megfelel az autók fedélzeti és helyhez kötött tárolásának.
Kinetika: aktiválás és kerékpározás
A titán{0}}alapú ötvözetek előkezelés nélkül is kedvező aktiválási teljesítményt mutatnak. A vizsgálatok azt mutatják, hogy a Ti–Mn alapú ötvözetek szobahőmérsékleten 5 MPa alatt abszorbeálják a hidrogént, és akár 1,98 tömeg%-ot is leadnak előzetes aktiválási ciklusok nélkül [1†L32-L36]. Porkohászattal -Mn/Cr-mal kevert Ti-por felhasználásával, hideg izosztatikus préselés és 1200 fokos vákuumszinterezéssel előállított porózus titán szerkezetek 1,8 tömeg% körüli reverzibilis tárolást érnek el, elhanyagolható hiszterézis mellett, és 10-L8]L-es cikluson keresztül nincs látható bomlás.
A magnézium kinetikája továbbra is az elsődleges szűk keresztmetszet. A MgH₂ hidrogénezési és dehidrogénezési aktiválási energiája még Ni, Cr, Fe, Cu koka{1}}katalízis esetén is gondos tervezést igényel. A termikus stabilitás olyan magas, hogy a hidrogén elnyeléséhez magas hőmérséklet szükséges [3†L36-L37].
A kerékpáros stabilitás megerősíti a titán előnyeit. A Ti-AB₂ ötvözetek 1000 cikluson túli meghosszabbított ciklusélettartamot mutatnak, több mint 80%-os kapacitásmegtartás mellett [1†L4-L6]. Ezzel szemben a magnézium-hidrid térfogat-tágulási-összehúzódási ciklusokban szenved a hidridképződés és -bomlás során, ami a részecskék porlódásához és a kapacitás elhalványulásához vezet.
Biztonság és üzemi nyomás
A titán rendszerek 4 MPa alatt működnek alacsony-nyomású szilárdtest- konfigurációkban, szemben a IV típusú sűrített hidrogéntartályok 70 MPa-ával [1†L20-L21]. Az alacsonyabb nyomás csökkenti az elszigetelési költségeket és kiküszöböli a katasztrofális törés kockázatát.
A magnézium-hidrid, bár elméletileg biztonságos, magas hőmérsékletű{0}}működést igényel. A 300 fokos fűtésnek megvannak a maga biztonsági szempontjai.
