Design und Charakterisierung eines thermochemischen Metallhydrid-Wasserstoff-Reaktors für adaptive Wärmedämmungen

Abstract

In dieser Arbeit wird ein mit Metallhydrid befüllter Reaktor für die gezielte Einstellung eines Wasserstoff-Druckes im Bereich zwischen 970 hPa und 5 hPa für den Einsatz in einer regelbaren Vakuum-Dämmung ausgelegt, entwickelt und getestet. Durch gezieltes Temperieren mit Peltier-Elementen entlang der Gleichgewichtslinie des Reaktionssystems Metallhydrid-Wasserstoff lässt sich der Gasdruck regulieren. Um die Eignung von Peltier-Elementen für die Abdeckung des geforderten Temperaturbereichs von 0 − 150 °C, in dem das Metallhydridbett im Reaktor variiert werden soll, wird eine Voruntersuchung durchgeführt. Diese ergibt, dass ein Stapel aus zwei Peltier-Elementen den Anforderungen gerecht werden kann. Mit einem Morphologischen Kasten werden verschiedene Teilfunktionen zu zwei Reaktordesigns kombiniert, welche anschließend verglichen werden. Das ausgewählte Konzept wird konstruiert und aufgebaut. Besonders ist dabei die thermische Entkopplung von zu temperierenden Bauteile mit direktem Kontakt zum Metallhydridbett vom Reaktorgehäuse. Dadurch kann im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik eine erhebliche Einsparung an Energie erreicht werden. Anhand des aufgebauten Reaktors wird in einem bestehenden Versuchsstand dessen Funktion und die Erfüllung der Anforderungen nachgewiesen. In einer Parameterstudie werden die Spannungen der Peltier-Elemente variiert und deren Einfluss auf Dauer der Druckänderung, sowie Bedarf von elektrischer Energie ausgewertet. Es wird nachgewiesen, dass der Reaktor einen Druck von 970 hPa in weniger als 15 Minuten und 5 hPa in weniger als 30 Minuten erreichen kann. Abschließend wird ein Ausblick auf Verbesserungsmöglichkeiten für die Nutzung des Reaktors, sowie Vorschläge für eine Weiterentwicklung des Reaktors gegeben.