Strömungsreaktormodell für die Wasserstoffbeladung eines Metallhydridspeichers in Fahrzeugen

Abstract

Wasserstoffspeicher müssen Anforderungen bezüglich Masse, Volumen, Sicherheit und Be- bzw. Entladedynamik erfüllen, um in Fahrzeugen zum Einsatz kommen zu können. Gelingt es, bei Metallhydridspeichern die Beladedynamik zu verbessern und eine Massereduzierung zu erreichen, so können mit dieser Technologie sichere und volumetrisch günstige Wasserstoffantriebe in Fahrzeugen realisiert werden. In dieser Arbeit wurden verschiedene Reaktorkonzepte eines Metallhydridspeichers, nämlich das des Kesselreaktors, das des Strömungsreaktors und das des Wirbelschichtreaktors, gegenübergestellt. Zum diesem Zweck wurden Modelle für jeden Reaktortyp erstellt. Die Validierung der Modelle und Bestimmung fehlender Parameter wurde mit Hilfe zweier dafür entwickelter Testanlagen ermöglicht. Das Beladeverhalten von Wasserstoffspeichern mit direkter Wärmeübertragung, Strömungsreaktoren, bei welchen Wasserstoff selbst als Wärmeträger eingesetzt wird, wurde bisher nicht eingehend untersucht, obwohl die großen Wärmeübertragungsflächen des Metallhydrid-Festbettes ein großes ungenutztes Potenzial darstellen. Fraglich hierbei war, inwieweit der Impulstransport limitierend auf den gesamten Beladeprozess im Strömungsreaktor wirkt, da für einen vollständigen Ablauf der Reaktion sowohl thermische als auch stoffliche Bedingungen erfüllt werden müssen. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Porositätsänderung auf den Stoff- und Wärmetransport maßgeblich ist. Bei der Porositätsminderung wurde ein erhöhter Druckverlust, und damit verlangsamter Stofftransport, sowie eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Ein neues Reaktorkonzept für Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden, das des Wirbelschichtreaktors, wurde entwickelt. Es stellte sich heraus, dass beim Einsatz des Wirbelschichtreaktors eine schnelle Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers realisiert werden kann, ohne eine weitere Massezunahme zu bedingen. Er besitzt damit bevorzugte Eigenschaften zum Einsatz als Wasserstoffspeicher in Fahrzeugen.