Auslegung eines Laborreaktors zur Untersuchung des Stofftransports in Metallhydriden und zur Vorwärmung einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle

Kurzfassung

Hintergrund dieser Arbeit war die Vorwärmung einer Brennstoffzelle mittels Metallhydrid, bei der aufgrund der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle ein Druck von 2 bar vorgegeben ist. In früheren Arbeiten ( [14], [27]) wurde festgestellt, dass der Wasserstofftransport bei solch geringen Drücken gehemmt ist. Das Ziel der Arbeit war es deshalb, den Druckverlauf in einem Metallhydrid-Reaktionsbett bei kleinen Absorptionsdrücken zu bestimmen. Zur Untersuchung des Druckverlaufes wurde ein Laborreaktor in Zylinderform ausgelegt. Sein Außendurchmesser betrug 12 mm bei einer Wandstärke von 1 mm. Die Länge des Reaktionsbettes betrug etwa 20 cm mit einer Metallhydridmasse von 58 g. Die Durchströmung des Reaktionsbettes mit Inertgas zeigte, dass die Dauer bis zum Angleichen der Drücke vor und hinter dem Reaktionsbett innerhalb etwa 1 Minute erfolgt. Die Untersuchungen mit Wasserstoff wurden bei 2 bar und 4 bar Absorptionsdruck durchgeführt. Die Messung des Druckanstiegs hinter dem Reaktionsbett ergab für die Einströmung bei beiden Drücke einen qualitativ gleichen Verlauf, wobei der Einfluss der Wärmeabfuhr auf die Absorptionsrate erkennbar ist. Um den Druckverlauf entlang des Reaktionsbettes nachzuvollziehen, wurde die Temperatur mit einer Thermografiekamera gemessen. Über die van’t Hoff-Gleichung wurde daraus der Gleichgewichtsdruck berechnet. Bei dem Vergleich mit den gemessenen Werten des Absolutdruckes vor und hinter dem Reaktionsbett wurde eine Abweichung festgestellt, die auf das reale Materialverhalten von Metallhydriden zurückgeführt werden konnte. Sie weisen bei der Beladung mit Wasserstoff eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Plateauneigung in den Konzentrations-Druck-Isothermen auf. Es kann deshalb ohne Berücksichtigung der Umsatzabhängigkeit nicht von der Gleichgewichtstemperatur auf den Gleichgewichtsdruck geschlossen werden. Um den exakten Druck an jeder Stelle des Reaktionsbettes aus der dort vorliegenden Temperatur zu bestimmen, ist es deshalb erforderlich, dass auch der Umsatz an diesem Ort bekannt ist. Hierzu ist jedoch neben einer genauen Charakterisierung des verwendeten Metallhydrids die Messung des Umsatzes innerhalb des Reaktionsbettes notwendig. Zuletzt lässt sich festhalten, dass die Methode der berührungslosen Temperaturmessung und der in dieser Arbeit entwickelte Versuchsaufbau für die Bestimmung des Druckverlaufes sehr gut geeignet sind und damit die experimentelle Untersuchung des Stofftransportes, unter der Voraussetzung, dass der Umsatz bekannt ist, möglich ist.