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美国Southwest Research Institute与St. Mary’s University正在合作开发一种基于物理的预测工具，用于通过化学与热-力学框架预测TiFe基金属氢化物储氢容器的退化与耐久性。
该项目获得了来自St. Mary’s-SwRI Technology and Applied Research（S2TAR）计划的125,839美元新资助。该计划旨在促进两家机构研究人员之间的合作。
金属氢化物是由金属或合金与氢反应形成的化合物，通常为粉末。金属氢化物可以通过一种称为化学吸附的过程，将氢锁定并储存在晶格中。它们被认为是目前最安全、最紧凑的固态储氢方式之一。
“金属氢化物在中等压力下像海绵一样吸收氢气，既没有高压储氢罐的爆炸风险，也没有液氢带来的能耗成本，”SwRI动力总成工程部门研究工程师、项目联合负责人Richard S. Fu博士表示。“阻碍其作为储氢容器更广泛应用的一个未解决问题是其低耐久性。在多次充放氢循环后，合金粉末会发生破碎，粉床会发生致密化，容器性能会悄然退化。”
目前，用于预测这些容器退化的方法都依赖昂贵且耗时的物理测试。Fu博士与圣玛丽大学机械工程助理教授、项目联合负责人Mohamed Shaat博士希望用高保真建模框架取代传统的长周期物理测试。
通过结合基于物理的仿真与针对性验证测试，团队希望建立一种能够准确预测储氢容器生命周期与耐久性的工具，从而推动金属氢化物储氢作为更可靠的固态储氢解决方案的发展。
“氢作为一种多用途零排放能源载体具有巨大潜力，可支持可再生能源整合与更广泛的脱碳努力，”Shaat表示。“但与任何新兴技术一样，其实际应用需要克服重要的科学与工程挑战。本项目结合建模与实验的互补优势，有助于更好理解影响储氢性能与耐久性的机制。”
在圣玛丽大学，Shaat将主导开发一个综合性的热力学与多物理场建模框架，用于描述与储氢相关的耦合化学、热与力学过程，例如氢扩散、化学吸附、相变、热传递与应力演化。该框架将用于建立能够评估容器性能的模型，并识别可最大化系统耐久性与效率的设计与运行条件。
“我们的一个关键目标是将氢吸附与解吸的基础物理转化为高效预测模型，”Shaat表示。“通过理解氢传输、反应、热与力学机制如何相互作用——更重要的是，这些过程如何耦合——我们可以显著降低评估储氢系统的时间与成本，同时仍保持设计优化与长期耐久性评估所需的精度。”
在SwRI，Fu的团队将开展受控循环实验，以生成用于模型校准与验证的数据。基于此前在氢储存实验方面的经验，团队将在真实运行条件下进行长期循环与诊断测试。通过建模与实验数据结合，团队将能够预测金属氢化物储氢容器在数百到数千次充放循环过程中的退化情况。
“通过在受控条件下对容器进行循环测试，我们正在揭示耦合的化学、热与力学现象如何驱动性能退化，”Fu表示。“模型会告诉我们在实验中该关注什么，而实验则会告诉我们模型是否正确。”
该项目由圣玛丽大学与Southwest Research Institute共同资助。S2TAR计划为这一跨学科合作提供种子资金，旨在加强两机构之间的技术联系，并培养长期合作关系，使团队未来能够共同申请并获得来自联邦及产业方的外部研究资金。
“我们感谢S2TAR计划对该项目的支持，”Fu表示。“随着模型不断完善，这一工具将使该技术更具实用性，并创造更广泛应用的机会。这将推动固态储氢研究与开发进入下一个阶段。”
（素材来自：Southwest Research Institute/St. Mary’s University 全球氢能网、新能源网综合）
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