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

Development, Design and Production of a Metal Hydride based Prehaeter for high temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Systems

  • Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeit der Aufheizung einer Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (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 Betriebstem1eratur. 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.
  • The intention of this study is to preheat a high-temperature Proton-exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) based on a metal hydride (LaNi4.0Al0.58Mn0.42). The HT-PEMFC, common used for power engines, has an increased operating temperature (160°C) compared to low-temperature PEMFC. A start temperature of 100°C is necessary due to the special membrane used. To illustrate that it is possible to preheat the membrane from room temperature (~ 20°C) up to 100°C is the subject of this study. The aim is to use the heat from the chemical reaction of a metal hydride and hydrogen. Therefore this study began with testing several metal hydrides. Furthermore the hydrogen supply of 2 bar has to be used from the fuel cell. A homogeneous prehating of the membrane with low heat losses is a result of the direct integration into the fuel cell. By the development of a test reactor (without fuel cell membrane) the temperature distribution was investigated. The tests were measured with an IR camera and a measuring circuit board. In conclusion, a maximum temperature of 94,7°C was measured with the measuring circuit board and an average temperature of 81,5°C ((70 × 70) mm²) was reached. Due to the heat conduction through a 4 mm plate of steel a maximum temperature of 75°C was measured with IR camera. Additionally, a significant limitation in mass transport was identified by the use of two different inlets.

Export metadata

Additional Services

Metadaten
Author:Christian Brack
Advisor:Helmut EichertGND, Bernhard Gemende
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Name:Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Pfaffenwaldring 38-40, Institut für Technische Thermodynamik, 70569 Stuttgart
Date of Publication (online):2012/02/17
Year of first Publication:2012
Date of final exam:2012/02/17
Tag:HT-PEMFC; LaNi5; Vorheizer
Fuel Cell; HT-PEMFC; LaNi5; Metall Hydride; Preheater
GND Keyword:Metallhydride; Brennstoffzelle; Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle; Metall-Wasserstoff-System; Absorption
Page Number:71 Seiten, 29 Abb., 12 Tab., 44 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Maschinenbau und Kraftfahrzeugtechnik (bis 2018)
Release Date:2012/02/17