Untersuchung und Bewertung eines Metallhydrid-basierten Vorheizers für den Kaltstart ab -40 °C in der Luftfahrtanwendung

Abstract

Brennstoffzellensysteme stehen vor dem Problem der Degradation und der Lebensdauersenkung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Daher ist ein schnelles und gezieltes Vorwärmen der Brennstoffzelle beim Kaltstart (< 0 °C) notwendig. Aufgrund der stark exothermen thermochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Metallhydriden (MH), eignen sich thermische Energiespeicher auf MH-Basis als Vorheizer von Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen wie der Luftfahrt. Die vorliegende Arbeit liefert erste Untersuchungen der Gas-Feststoff-Reaktion mit dem Hydrid LaNi5 bei tiefkalten Temperaturen bis -40 °C, um die Vorwärm-Funktionsweise nachzuweisen, dessen Potenzial technologisch zu bewerten sowie Haupteinflussfaktoren zu identifizieren. Neben der Auslegung und dem Aufbau einer geeigneten Testinfrastruktur für tiefkalte Temperaturen stand die experimentelle Untersuchung des Vorheizmoduls bezüglich der Temperatur- und der Druckabhängigkeit im Vordergrund. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Entfernung vom Gleichgewicht den größten thermodynamischen Einfluss auf die Reaktionsdynamik und die erzeugte Wärmefreisetzung hat, während ein Einfluss nach Arrhenius nicht dominiert. Somit konnte gezeigt werden, dass tiefkalte Starttemperaturen die Performance nicht signifikant verschlechtern, sondern im Gegenteil die höheren Temperaturgradienten ebenfalls zu hohen Leistungen führen. In Bezug auf die experimentell erreichten Leistungen hat sich gezeigt, dass die Wasserstoffzufuhr des Teststands einen erheblichen Einfluss hat. Aufgrund der H2-Anlagenlimitierung konnten für alle Starttemperaturen die annähernd gleichen spezifischen Leistungen von 2,8 kW/kg bis 3,1 kW/kg bei einem Absorptionsdruck von 8 bar nachgewiesen werden. Neben den temperaturabhängigen Zusammenhängen wurde gezeigt, dass unter Verwendung eines niedrigeren Absorptionsdrucks von 4 bar ebenfalls hohe spezifische Leistungen von 2,1 kW/kg möglich sind. Abschließend wird in einer technologischen Bewertung für einen realen Betrieb eine anwendungsbezogene Abwägung zwischen höheren Leistungen (8 bar) und einer höheren Gesamteffizienz (4 bar) empfohlen. Darüber hinaus bietet das MH-System den erheblichen Vorteil, dass keine Energie verbraucht wird, was es von anderen Technologien abhebt. Jedoch ist eine abschließende Auslegung notwendig, um die Konkurrenzfähigkeit bezüglich des Gewichts zu bewerten. Neben der verbesserten Performance bei abnehmender Starttemperatur unterstreicht dies das erhebliche Potenzial des Metallhydrid-Einsatzes insbesondere in Temperaturbereichen von -30 °C und -40 °C als Alleinstellungsmerkmal.