Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines Vorheizers für Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen-Systeme auf der Basis von Metallhydriden

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeit der Aufheizung einer Hochtemperatur-PolymerelektrolytmembranBrennstoffzelle (HT-PEM-BZ) mittels einem Metallhydrid (LaNi4.0Al0.58Mn0.42). Die insbesondere im Fahrzeugantrieb zur Anwendung kommende HT-PEM-BZ besitzt, im Gegensatz zur Niedertemperatur-PEM-BZ, mit 160 C eine relativ hohe Betriebstemperatur. Dabei kann von der HT-PEM-BZ erst elektrische Leistung abgerufen werden, wenn die speziell verwendete Membran eine Temperatur von 100 °C aufweist. Somit ist es das das Ziel, diese Membran von Raumtemperatur (~ 20 °C) auf mindestens 100 C aufzuheizen. Mit Hilfe eines Metallhydrids, welches zu Beginn der Arbeit ausgewählt und untersucht wurde, soll die infolge der chemischen Reaktion mit Wasserstoff freigesetzte Wärmemege zum Aufheizen genutzt werden. Dabei ist eine Integration in die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle (2 bar) vorgesehen. Mit einem im Inneren der Brennstoffzelle befindlichen Reaktionsbett (112 × 112) mm2 ist es somit möglich, ausschließlich die Membran weitestgehend homogen und ohne erhebliche Wärmeverluste aufzuheizen. Anhand eines entsprechenden Versuchsreaktors (ohne BZ-Membran) wird die Temperaturverteilung untersucht. Die Aufzeichnung der Temperaturverteilung erfolgte mittels zwei unterschiedlicher Messmethoden, mit der einer Thermografie-Kamera und der einer Messplatine. Dabei konnte trotz der Wärmleitung durch eine 4 mm dicke Stahlplatte eine Maximaltemperatur von 75 °C mit der Thermografie-Kamera gemessen werden. Bei der Messplatinen-Messung wurde eine Maximaltemperatur von 94,7 °C erreicht. Auf einer Fläche von ungefähr (70 × 70) mm2 wurde eine Durchschnittstemperatur von 81,5 °C erreicht. Aufgrund zweier unterschiedlicher Wasserstoffeinlässe am Reaktor wurde zudem eine starke Limitierung des Stofftransportes deutlich.