Auslegung, Konstruktion und Fertigung eines Metallhydrid-Reaktors zur Integration in ein Brennstoffzellen-Elektrolyse-System

Kurzfassung

In dieser Arbeit geht es um die Auslegung, Konstruktion und Fertigung eines Wasserstoffspeichers auf Metallhydridbasis. Das System soll später mit einer Elektrolyse und einer Brennstoffzelle einen Pufferspeicher für elektrische Energie in Wohnhäusern darstellen. Als Speichermaterial wird das Hydrid Hydralloy C5 verwendet. Bei der Beladung von Metallhydriden wird die Reaktionsenthalpie in Form von Wärme freigegeben. Um den gespeicherten Wasserstoff wiederum zu lösen muss idealerweise die gleiche Menge an Wärmeenergie dem System wieder hinzugefügt werden. Der Ablauf der Reaktion hängt in großem Maße von der Temperatur des Hydrides ab. Da der nötige Wasserstoffbeladedruck mit der Hydridtemperatur steigt, würde einer Erwärmung über 40°C zu einem Reaktionsstop führen (siehe Kapitel 4.2). In einer vorherigen Arbeit wurde daher das Pulverförmige Hydrid mit Graphit als Bindemittel zu Zyklen stabilen Pellets gepresst. Die erzeugten Pellets weisen eine deutlich bessere Wärmeleitung als die ursprüngliche Schüttung auf. Der Speicher besteht aus 5,78 kg Hydrid und fast darin 75,02 g Wasserstoff. Mit dieser Menge kann eine PEM-Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 1,2 kW eine Stunde lang betrieben werden. Zur zusätzlichen Kühlung des Hydrides wurde ein offenporiger Aluminiumschaum auf die Außenwand der Speicherrohre geklebt. Der Wärmeübertrager wird über Axialventilatoren mit Umgebungsluft durchströmt. Rechnerisch ist es somit möglich bei einem Temperaturgradienten von 5 K die vom Hydrid frei gesetzte Wärmeleistung von 258,4 W an die Umgebung abzuleiten. Dadurch ist ein Betrieb bis zu einer Umgebungstemperatur von 35 °C gewährleistet. Der Reaktor besteht aus insgesamt 20 Speicherrohren mit einer jeweiligen Länge von 338 mm, diese wurden mit Klemmringverschraubungen verbunden. Das gesamte Modul, auf den Namen „WASPE“ (Wasserstoffspeicherung in Pellets) getauft, wiegt etwa 30,6 kg und kostet rund 10.340€.