Thermodynamische Charakterisierung und Modellierung von Metallhydriden für die Fahrzeugklimatisierung

Kurzfassung

Aufgrund unzureichender Literaturdaten wie der Thermodynamik sowie wesentlicher Stoffdaten (wie bspw. der Reaktionsenhalpie und der maximalen Beladung), wird in der vorliegenden Arbeit das Metallhydrid C2 (Ti0,98Zr0,02V0,41Fe0,09Cr0,05Mn1,46) thermodynamisch charakterisiert. Dieses Material eignet sich zum Einsatz in einer offene Klimaanlage für Brennstoffzellenfahrzeuge, sodass eine Charakterisierung im relevanten Temperaturbereich von -20 – 65 °C erfolgt. Dazu wird eine am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt aufgebaute Anlage zur Messung von Konzentrations-Druck-Isothermen (KDI) verwendet. In dieser Anlage nach dem dynamischen Messprinzip werden zur Verbesserung der Messgenauigkeit diverse Optimierungen (Temperaturüberwachung, Messung der Desorption über den Differenzdrucksensor) umgesetzt sowie eine Untersuchung der Versuchsparameter auf die Versuchsdauer und Genauigkeit untersucht. Die Auswertung der Messungen zeig für den exemplarischen Anwendungsfall der offenen Klimaanlage bei einer Umgebungstemperatur von 40°C und einem Druckniveau der Brennstoffzelle von 5 bar, dass zur vollständigen Beladung ein Druck von 38 bar benötigtvwird. Die nutzbare Kapzität bei einer Kältetemperatur von 10°C entsprechen dabei 1,1 %. Aus der thermodynamschen Charakterisierung und dem resultierenden Van´t-Hoff-Diagramm ergibt sich eine Reaktionsenthalpie von ∆H_(R,Des)=21,9 KJ/mol Im zweiten Teil der Arbeit werden drei verschiedene mathematische Modelle (Polynomial-Fitting, Fit nach Herbrig und Smoothed-Zhou) zur mathematischen Beschreibung vorgestellt und untersucht. Diese Methoden werden anhand der berechneten Abweichungen zu den Messwerten untereinander verglichen. Die besten Ergebnisse werden mit der Polynomialen-Methode erreicht. Im Bereich des technisch relevanten Plateaus, liegt die Abweichung in einem Temperaturbereich von 10 65°C bei unter 7 %. Die aufgezeigte Methodik zur thermodynamischen Charakterisierung und Modellierung wird darüber hinaus auf das Material LaNi4,75Al0,25 angewendet.