Investigation of a New Reactor Concept for Hydrogen Storage in Complex Hydrides

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Reaktorkonzept für die Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden im Hinblick auf automobile Anwendungen untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt darauf, den Einsatz von komplexen Hydriden (CxH) zu ermöglichen. Diese weisen sehr hohe Speicherdichten auf, ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch unter automobilen Randbedingungen sehr gering. In dem vorgestellten Konzept wird diese Limitierung aufgehoben, indem einem reinen CxH Reaktor ein Metallhydrid (MeH) in einem räumlich getrennten Bereich zugegeben wird. Ein solcher Kombinationsreaktor ist in der Lage große Mengen an Wasserstoff zu speichern und weist gleichzeitig eine ausreichend schnelle Dynamik der Sorptionsreaktion auf. Als CxH Referenzmaterial wird 2LiNH2 1.1MgH2 0.1LiBH4 3wt.%ZrCoH2 (Li‐Mg‐N‐H) verwendet und zunächst hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften untersucht. Zudem werden zum ersten Mal Gleichungen für die Reaktionsgeschwindigkeit dieses Materials ermittelt. Auf Grund von thermodynamischen Überlegungen wird LaNi4.3Al0.4Mn0.3 als passendes Metallhydrid für den Kombinationsreaktor gewählt. Die ermittelten Stoffwerte werden dann verwendet um ein 2D Modell für die Reaktorsimulation aufzustellen. Zusätzlich zur Materialcharakterisierung werden in einem Laborreaktor Absorptionsexperimente mit einem reinen Li‐Mg‐N‐H Reaktor und einem Kombinationsreaktor durchgeführt. Anhand dieser Experimente werden die Modellgleichungen validiert. Das validierte Modell kann für zukünftige Reaktorauslegungen verwendet werden. Abschließend werden in dem Laborreaktor Desorptionsexperimente durchgeführt und durch Simulationen ergänzt. Letztere zeigen insbesondere das Zusammenspiel der beiden Materialien. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente und Simulationen zeigen, dass die Beladungszeit von 10 Minuten im reinen Li‐Mg‐N‐H Reaktor auf 2 – 3 Minuten im Kombinationsreaktor reduziert werden kann. Zudem wird während des Desorptionsvorgangs die Dynamik des Reaktors verbessert und die Ausnutzung der H2 Speicherungkapazität des Li‐Mg‐N‐H Materials erhöht. Im vorliegenden Referenzsystem wird die Gesamtspeicherdichte von 3.2 Gew.% für das reine Li‐Mg‐N‐H Material auf 2 Gew.% reduziert. Allerdings ist eine Beladung und Entladung unter Randbedingungen im Automobil nur mit dem Kombinationsreaktor möglich. Somit verringert der Kombinationsreaktor deutlich die reaktionskinetischen Anforderungen, die an neue Materialien mit hoher Speicherdichte gestellt werden.