Materialer til brintservice avanceret af nyt multilab-konsortium

Forskere ved Sandia og Pacific Northwest nationale laboratorier leder et samarbejde om at undersøge, hvordan brint påvirker materialer som plastik, gummi, stål og aluminium.

Hydrogen Materials Compatibility Consortium, eller H-Mat, vil fokusere på, hvordan brint påvirker polymerer og metaller, der bruges i forskellige sektorer, herunder brændselscelletransport og brintinfrastruktur. Forskere ved Oak Ridge, Savannah River og Argonne nationale laboratorier, såvel som i industrien og den akademiske verden, er også en del af samarbejdet. Indsatsen støtter U.S. Department of Energy H2@Scale-initiativet, som har til formål at fremme brintudnyttelsen til energiproduktion og -lagring samt industrielle processer.

"De avancerede beregningsevner, unikke eksperimentelle faciliteter og videnskabelig ekspertise på de nationale laboratorier vil give øget forståelse af vekselvirkningen mellem brintgas og polymerer og metaller, " sagde Chris San Marchi, Sandia materialeforsker og medleder for konsortiet. "Målet er at forbedre materialernes pålidelighed i brintinfrastruktur til storstilet brug af brint som energibærer."

Billeddannelse på tværs af dimensioner

I dag, USA producerer omkring 10 millioner tons brint hvert år, primært til petroleumsraffinering og ammoniakproduktion. Efterspørgsel efter brint vokser inden for transport, hvor tusindvis af brændselsceller bruges i gaffeltrucks og køretøjer. Brintapplikationer dukker også op gennem innovation i andre sektorer, såsom jernraffinering og energilagring.

Nuværende metalstrukturer, der indeholder brint, såsom ventiler, brændstoftanke og lagerbeholdere, er fremstillet af flere dyre legeringer af aluminium og stål. I sådanne materialer, brint interagerer med deres atomare sammensætning på måder, der kan forårsage skade. Komponenter efterses rutinemæssigt og tages ud af drift efter et fastsat antal år, således at denne skade ikke resulterer i uventede fejl. Da mekanismerne for interaktioner mellem brint og materialer på nano- og mikroskalaen ikke er godt forstået, levetiden for forskellige komponenter er udfordrende at estimere. Endnu mindre er kendt om, hvordan brint påvirker strukturen og de mekaniske egenskaber af polymerer, såsom plastrør og gummipakninger.

Til dato, meget af den eksisterende brintinfrastruktur er blevet informeret af forskning udført på de nationale laboratorier for at karakterisere metaller og polymerer i højtryksbrintmiljøer. H-Mat-konsortiet søger at grave dybere ned i den underliggende videnskab om denne adfærd, ved at bruge avancerede billeddannelses- og overfladekarakteriseringsteknikker til at studere brint-interaktioner med materialer i størrelsesskalaer, der spænder fra den atomistiske til den tekniske skala. Forskere udvikler også computermodeller til at forudsige mekanismerne for disse interaktioner og udviklingen af ​​brint-induceret skade. Disse forudsigelser kan derefter hjælpe materialeforskere med at skræddersy den sammensætning og mikrostrukturelle sammensætning af materialer til at modstå brint-inducerede skader.

Mikroskopiske nedbrydningsmekanismer

Brint påvirker metaller gennem en klasse af interaktioner kaldet brintskørhed. Brintskørhed og brint-induceret revnedannelse i metaller kan være synlige med det blotte øje. Men disse revner starter med interaktioner mellem brint og et materiale i længder tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Lidt er kendt om virkningerne af brint i disse små længder.

Langt mindre er kendt om, hvordan brint påvirker polymerer. For disse materialer, brint kan danne gasbobler under tryk, der koncentrerer stress og fører til skader. Der er voksende beviser på, at brint også interagerer med polymerer på atomær skala, som kan forbedre nedbrydningsmekanismerne.

Forskere ved Sandia studerer opførsel af metaller og polymerer, mens de udsættes for højtryksbrintmiljøer ved hjælp af unikt udstyr på Livermore campus, mens holdet ved Pacific Northwest National Lab leder karakteriseringen og eksperimentelle undersøgelser af revner og nedbrydning i polymerer.

"Materialforskere ved de to laboratorier er grundlaget for de eksperimentelle undersøgelser i dette konsortium, " siger Kevin Simmons, PNNL seniorforsker, der fungerer som H-Mat co-lead. "Vi udnytter også vores laboratoriers højtydende beregningsevner til at studere grundlæggende brint-materiale-interaktioner."

Forskere ved samarbejdende laboratorier leverer ekspertise inden for avanceret billedbehandling og yderligere højtydende databehandling. Eksisterende og ny akademisk, industrielle og institutionelle partnerskaber bringer viden om materielle behov for specifikke infrastrukturapplikationer, og ikke-proprietære data vil blive offentliggjort for at fremskynde forskning og udvikling.