Experimentelle Untersuchung der thermischen Kopplung einer HT-PEM Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffspeicher auf Basis von Natriumalanat

Urbanczyk, Robert

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein System untersucht, das aus einem Wasserstoffspeicher und einer Hochtemperatur PEM-Brennstoffzelle (HT-PEM) bestand. Der Wasserstoffspeicher wurde mit dem komplexen Hydrid NaAlH4 als Wasserstoffspeichermaterial befüllt. Um die Hydrier- und die Dehydrierkinetik des H2-Speichermaterials zu verbessern, wurde es mit 4 Mol.% TiCl3 während des Kugelmahlprozesses dotiert. Beide Systemkomponenten, der Wasserstoffspeicher und die Brennstoffzelle, wurden miteinander thermisch durch ein zirkulierendes Thermoöl als Wärmeträger gekoppelt. Die treibende Kraft für die Wärmeübertragung war die Differenz zwischen der Temperatur der Wasserstoffumsetzung in der Brennstoffzelle und der Hydridtemperatur, bei der Wasserstoff freigesetzt werden konnte. Die HT-PEM Brennstoffzelle bestand aus 28 Zellen, die mit PBI MEAs bestückt waren. Eine solche Brennstoffzelle wird im Temperaturbereich zwischen 120 und 190°C betrieben und das H2-Speichermaterial dehydriert mit ausreichender Kinetik in der ersten Stufe oberhalb von 120°C. Die Brennstoffzelle hatte eine nominale elektrische Leistung von 260W. Der Speicher wurde in der Endversion mit 2676,8g dotiertem NaAlH4 beladen. Es wurden fünf Versuche im gekoppelten Betrieb durchgeführt. Um das Verhalten des Systems bei wechselnder elektrischer Leistung der Brennstoffzelle zu untersuchen, wurde in einem der Experimente die Leistung zwischen 165 und 240W variiert. In einem anderen Experiment wurde die Brennstoffzelle konstant bei ca. 260W ungefähr 150 min lang betrieben. Die höchste gravimetrische Wasserstoffspeicherkapazität in den Dehydrierversuchen betrug 3,04 Mass.% (kgH2/kgNaAlH4), was einer gravimetrischen Speicherdichte von 0,25 Mass.% (kgH2/kgSystem) und einer volumetrischen Speicherdichte von 8,8 kg/m^3 (kgH2/m^3System) des gesamten Speichers entsprach. Das Speichermaterial wurde am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr und der HT-PEM Brennstoffzellenstack am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH in Duisburg hergestellt. Das Ziel dieser Dissertation war einen Wasserstoffspeicher auf Metallhydridbasis zu entwickeln, mit einer HT-PEM Brennstoffzelle thermisch zu koppeln und bei verschiedenen Lastzuständen als System zu untersuchen.

In this thesis a system consisting of a hydrogen storage tank and a high temperature fuel cell (HT-PEMFC) was investigated. The hydrogen storage tank was charged with the complex hydride NaAlH4. This solid hydrogen storage material was doped with 4 mol.% TiCl3 in ball milling process to improve its performance. Both system components, the hydrogen storage tank and the fuel cell were thermally coupled using thermal oil, as fluid for heat transport. The driving force for the heat transfer via thermal oil was the temperature difference between the heat of hydrogen conversion in the fuel cell and the dehydrogenation reaction in the hydrogen storage tank. The HT-PEMFC was a 28 cell stack equiped with PBI MEAs and a cooling system based on liquid coolant. The fuel cell is normally operated in the temperature range from 120 to 190°C and the hydride NaAlH4 releases hydrogen with reasonable kinetics above 120°C in the first dehydrogenation step. The nominal electrical load of the fuel cell was 260 W. The final version of the constructed hydrogen storage tank contained 2676,8 g of doped NaAlH4. Five dehydrogenation tests of the thermally coupled system were carried out. In one of the tests the electrical load of the fuel cell was varied between 165 and 240W. The fuel cell was operated in an another experiment in the vicinity of 260W for approx. 150 min. The highest gravimetric hydrogen storage capacity achieved in the dehydrogenation tests was 3,04 mass.% ( kgH2/kgNaAlH4) which corresponded to 0,25 mass.% ( kgH2/kgsystem) and 8,8 kg/m3 ( kgH2/m^3system) of the gravimetric and volumetric hydrogen capacity of the total tank system respectively. The complex hydride was prepared by Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr and the HT-PEMFC was manufactured by Zentrum für BrennstozellenTechnik GmbH in Duisburg. The main goals of the thesis were to design and to construct a hydrogen storage tank, that uses a complex hydride as a hydrogen storage media and to couple it thermally with a HT-PEMFC and finally to investigate the assembled system under different electrical load of the fuel cell.

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Urbanczyk, Robert: Experimentelle Untersuchung der thermischen Kopplung einer HT-PEM Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffspeicher auf Basis von Natriumalanat. 2014.

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