Metallhydrid-basierter Vorheizer für Brennstoffzellen - Optimierung hinsichtlich Messunsicherheitsanalyse und Reaktordesign

Abstract

n dieser Arbeit sind verschiedene Aspekte zur Optimierung von MetallhydridReaktoren zu sehen, die als Vorheizer für Brennstoffzellen genutzt werden. Dabei wird nicht nur die Optimierung eines Experiments durch eine Messunsicherheitsanalyse gezeigt. Es werden auch Ansätze zur Verbesserung der Wärmeübertragung in einem solchen Reaktor untersucht und deren Umsetzung beschrieben. Im ersten Teil dieser Arbeit wird dazu die Vorgehensweise für eine Messunsicherheitsanalyse nach dem international anerkannten Regelwerk „GUM“ erläutert und anschließend dessen Anwendung am Beispiel eines Testaufbaus für einen Metallhydrid-basierten Vorheizer für Brennstoffzellen gezeigt. So ist in dieser Arbeit zum ersten Mal eine vollständige Messunsicherheitsanalyse zum beschriebenen Teststand zu sehen. Mit den Ergebnissen aus der Messunsicherheitsanalyse werden außerdem konkrete, quantifizierte Vorschläge zur Verbesserung des Testaufbaus gemacht. Nach Umsetzung aller Verbesserungsvorschläge wird eine Verringerung der erweiterten Messunsicherheit von bisher ±40 W auf ±15 W in Aussicht gestellt (Überdeckungswahrscheinlichkeit: 95%, k=2). Im zweiten Teil der Arbeit werden mehrere Ansätze zur Optimierung der Wärmeübertragung in Metallhydrid-Reaktoren untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass die Wärmeübertragung durch Rippen an den Reaktorinnenwänden deutlich verbessert werden kann. Am meisten vorteilhaft ist jene maximale Anzahl an Rippen, die sich unter Beachtung von Fertigungs- und Handhabungsrestriktionen umsetzten lässt. Hinsichtlich der Anzahl an Reaktor-Einzelrohren muss im Einzelfall ein entsprechender Kompromiss eingegangen werden, da für die Anzahl der Einzelrohre kein Optimum oder Sweet Spot existiert. Außerdem ist ein Design gezeigt, das auf einem neuen Ansatz basiert, der sich deutlich von dem bisher eingesetzten unterscheidet. Bezüglich dieses neuen Ansatzes wird ein erhebliches Potential hinsichtlich Wärmeübertragung und Reduzierung des freien HTF-Volumens aufgezeigt. Außerdem wird ein Vorschlag zur Integration eines 2/2-Wege Miniaturventils zur Steuerung des Wasserstoffflusses gemacht.