Zyklenuntersuchung von Metallhydriden im Tieftemperaturbereich zur Verminderung der Kaltstartauswirkung von Verbrennungsmotoren

Abstract

Thermochemische, reversible Gas-Feststoff-Reaktionen in Form von Metallhydriden ermöglichen eine effiziente Wärmerückgewinnung aus dem Betrieb von Verbrennungsmotoren. Im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors kann die entstehende Wärme gespeichert werden, um diese zur Unterstützung des Motorkaltstarts wieder an den Motor abzugeben. Dadurch können neben Verschleißerscheinungen sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemissionen während der Motorstartphase vermindert werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt werden aus diesem Grund Metallhydride zum Einsatz im Tieftemperaturbereich untersucht. Die Reaktionseigenschaften der Materialien erfordern in diesem Bereich kürzeste Gas- und Wärmestrecken. In der vorliegenden Arbeit wurden daher zwei verschiedene Reaktorgeometrien zum Vergleich der Minimierung dieser stofflichen Limitierung ausgelegt und konstruiert. Die Reaktoren werden zudem in Langzeitversuchen zur Überprüfung der Zyklenstabilität verschiedener Materialien eingesetzt. Dazu wird ein Prüfstand zur automatischen Zyklierung von Metallhydriden verwendet. Zur einfachen Nachvollziehbarkeit der Zyklenversuche wurde ein Programm für die automatische Versuchsauswertung geschrieben. Dies ermöglicht eine übersichtliche Darstellung der Temperatur- und Differenzdruck-Verläufe im Laufe der Zyklentests. So können einfacher und schneller Rückschlüsse auf die Degradation der untersuchten Materialien gezogen werden. Die Materialien LaNi4,85Al0,15 und Hydralloy C5® wurden in Versuchen im Tieftemperaturbereich getestet. Unter Berücksichtigung der Reaktorgeometrie und der zur Verfügung stehenden Vakuumpumpe konnte festgestellt werden, dass zur vollständigen Entladung von LaNi4,85Al0,15 eine längere Desorptionszeit als 30 Minuten benötigt wird. Durch Halbierung der Schüttdicke auf 1,6 mm kann allerdings in derselben Zeit 47 % mehr Wasserstoff bezogen auf die Masse des eingesetzten Metallhydrids absorbiert werden. (Absorptionsdruck 10 bar, Umgebungstemperatur -19°C).