Coupled metal hydride reactions for preheating vehicle components at low temperatures

Abstract

Today, internal combustion engines produce most emissions during the cold start phase until the system is at operation temperature. A preheater based on coupled metal hydride reactions could help solve this problem due to the potential to supply heat fast even at low temperatures. However, both the low temperature and the interdepending reactions might pose severe limitations on the reaction rate. Until now, little knowledge about metal hydride properties at subzero conditions and the lack of systematic investigation of the coupled metal hydrides have prevented the development of such a preheater. This thesis provides detailed investigations of coupled metal hydride reactions at low temperatures to identify the potential of thermal power and its main influence factors. Therefore, in this work, the material pair LaNi4.85Al0.15 and Hydralloy C5 (Ti0.95Zr0.05Mn1.46V0.45Fe0.09), rechargeable with onboard waste heat of 90 to 130 °C, was characterized, influencing factors on the specific thermal power were investigated systematically in laboratory scale and main factors of influence were derived. The performed thermodynamic and kinetic characterization down to 30 °C provides the first data for these materials at such low temperatures. The distance to equilibrium as thermodynamic driving force is found to influence the specific thermal power much more than the actual starting temperature of the single reaction. At 20 °C and 10 bar, LaNi4.85Al0.15 provided a thermal power of more than 5 kW/kg. For the coupled reactions at 20 °C, a specific thermal power of 600 W/kg was achieved, representing the first published value for heat generation at this temperature. It is exceptionally high, considering literature values are in the same range at +20 °C or 40 K higher. Even higher specific power levels were obtained at higher temperatures, such as 1.1 kW/kg at 0 °C and 1.6 kW/kg at 20 °C. Therefore, the main influencing factor on the coupled reactions is the ambient temperature. The hydrogen-providing material C5 is identified as cause for this limitation due to its decreasing reaction rate during desorption. From this first systematic investigation, it is concluded that the specific power output depends on material properties and cannot be improved by optimizing heat transfer. Consequently, a system using the potential energy of onboard hydrogen in a fuel cell vehicle - without consuming it - is proposed in order to reach a high thermal power and help pave the way to a sustainable, carbon-free mobility.

Verbrennungsmotoren produzieren heute die meisten Emissionen während der Kaltstartphase, bis das System auf Betriebstemperatur ist. Ein Vorheizer auf Basis gekoppelter Metallhydrid-Reaktionen könnte durch die potentiell schnelle Wärmebereitstellung zur Lösung dieses Problems beitragen. Jedoch stellen sowohl die niedrige Temperatur als auch die gegenseitig abhängigen Reaktionen starke Einschränkungen der Reaktionsrate dar. Bis heute ist wenig über Metallhydrid-Eigenschaften bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt bekannt und es fehlen systematische Untersuchungen gekoppelter Metallhydride. Dies verhinderte bisher die Entwicklung eines solchen Vorheizers. Diese Dissertation liefert detaillierte Untersuchungen gekoppelter Metallhydrid-Reaktionen bei niedrigen Temperaturen, um das Potential der thermischen Leistung und ihre Haupteinflussfaktoren zu identifizieren. Darum wurden in dieser Arbeit das Materialpaar LaNi4.85Al0.15 und Hydralloy C5 (Ti0.95Zr0.05Mn1.46V0.45Fe0.09), regenerierbar mit Abwärme zwischen 90 und 130 °C, charakterisiert, Einflussfaktoren auf die spezifische thermische Leistung im Labormaßstab systematisch untersucht und Haupteinflussfaktoren abgeleitet. Die durchgeführte thermodynamische und kinetische Charakterisierung bis zu 30 °C liefert die ersten Daten für diese Materialien bei diesen niedrigen Temperaturen. Es wurde gezeigt, dass der Abstand zum Gleichgewicht als thermodynamisch treibende Kraft einen viel größeren Einfluss auf die spezifische thermische Leistung hat als die Starttemperatur der Einzelreaktion. Bei 20 °C und 10 bar lieferte LaNi4.85Al0.15 eine Leistung von über 5 kW/kg. Die gekoppelten Reaktionen erreichten eine spezifische thermische Leistung von 600 W/kg bei 20 °C. Dies stellt den ersten veröffentlichten Wert für die Wärmeerzeugung bei dieser Temperatur dar. Er ist besonders hoch verglichen mit Literaturwerten, die sich bei +20 °C, also 40 K höher, im gleichen Bereich bewegen. Noch höhere spezifische Leistungen wurden bei höheren Temperaturen erzielt, wie zum Beispiel 1.1 kW/kg bei 0 °C und 1.6 kW/kg bei 20 °C. Somit ist die Umgebungstemperatur der Haupteinflussfaktor auf die gekoppelten Reaktionen. Es wurde gezeigt, dass das wasserstoffbereitstellende Material C5 die Limitierung der Leistung bei sinkenden Temperaturen durch seine sinkende Reaktionsrate während der Desorption verursacht. Aus dieser ersten systematischen Untersuchung kann abgeleitet werden, dass die spezifische Leistung von Materialeigenschaften abhängt und nicht durch optimierten Wärmeübergang verbessert werden kann. Darum wird ein System vorgeschlagen, dass durch die potentielle Energie des fahrzeugeigenen Wasserstoffs eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs betrieben wird - ohne den Wasserstoff zu verbrauchen - um so hohe Leistungen zu erreichen und den Weg für eine nachhaltige, kohlenstofffreie Mobilität zu ebnen.