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Wasserstoffspeicherkapazität poröser Materialien in Kryoadsorptionstanks
(2012) Schlichtenmayer, Maurice Ulrich; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Speicherkapazität für Wasserstoff in porösen Materialien im Hinblick auf die Betriebsbedingungen in einem realen Tank untersucht. Hierzu wurde die Wasserstoffadsorption an 14 Materialien mit unterschiedlicher Struktur und chemischer Zusammensetzung, vornehmlich metall-organischen Gerüststoffen (MOFs), sowie einer Aktivkohle, einer kohlenstoffbasierten Gerüstverbindung (PAF) und einem amorphen Xerogel, untersucht. Die Materialien besitzen äußerst hohe spezifische Oberflächen bis zu 5000 m^2/g und Porendurchmesser zwischen 0,34 nm und 2,9 nm. Die Untersuchung der Wasserstoffadsorption erlaubt eine Korrelation der Speicherkapazität des Tanks unter vorgegebenen Betriebsbedingungen (Druck- und Temperaturbereich) mit der Materialstruktur. Erstmalig wurde für eine Vielzahl verschiedener Materialien die Packungsdichte bestimmt. Dies erlaubt die Berechnung der gesamten Menge an Wasserstoff in einem porösen Material (adsorbierter und gasförmiger Wasserstoff), welche für die Anwendung in realen Tanks maßgeblich ist, und die Angabe der effektiven volumetrischen Speicherdichte. Die Adsorptionsmessungen wurden mithilfe einer automatischen Sievert-Apparatur im Temperaturbereich zwischen 77 K und 135 K bis zu einem Druck von 2,5 MPa durchgeführt. Die relevante Größe für den Einsatz poröser Materialien in Kryoadsorptionstanks ist die nutzbare Kapazität, die sich aus den Materialparametern und den Arbeitsbedingungen des Tanksystems ergibt. Insbesondere wird hierbei berücksichtigt, dass ein Tank nicht vollständig entladen werden kann, sondern eine Restmenge an Wasserstoff im Material verbleibt. Insgesamt können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: 1. Unabhängig von den Arbeitsbedingungen des Tanksystems ist die nutzbare Kapazität der Materialien proportional zu ihrer Oberfläche. Daher ist eine hohe spezifische Oberfläche ein wesentliches Ziel bei der Optimierung der Speichermatetialien. 2. Bei der Entladung unter isothermen Bedingungen nimmt die nutzbare Kapazität ein Maximum bei einer optimalen Temperatur an, die vom Druckbereich des Tanksystems und der Adsorptionsenthalpie des Materials abhängt. Die nutzbare Kapazität bei dieser Optimaltemperatur hängt lediglich von der Adsorptionsenthalpie des Materials und dem Verhältnis von maximalem und minimalem Tankdruck ab. Unabhängig vom Druckbereich führt eine niedrigere Adsorptionsenthalpie zu einer erhöhten nutzbaren Kapazität bei der Optimaltemperatur. 3. Bereits durch eine geringe Temperaturerhöhung während der Entladung lässt sich die nutzbare Kapazität erheblich steigern. So kann bei einer Temperaturerhöhung von nur 20 K bei einer Entladung von 2,5 MPa bis 0,2 MPa die nutzbare Kapazität für Materialien mit einer Enthalpie unter 5 kJ/mol auf mehr als 80 % ihrer Gesamtkapazität gesteigert werden. 4. Im Fall einer Anfangstemperatur von 100 K und einer Temperaturerhöhung von 26 K während der Entladung ist die nutzbare Kapazität im untersuchten Druckbereich unabhängig von der Adsorptionsenthalpie des Materials. Bei niedrigerer Anfangstemperatur sinkt die nutzbare Kapazität mit höherer Enthalpie, während bei höherer Anfangstemperatur eine höhere Enthalpie auch eine steigende nutzbare Kapazität bewirkt. Somit bestimmt die Arbeitstemperatur des Tanksystems die Richtung zur Optimierung der Adsorptionsenthalpie der Materialien. 5. Es wurde gezeigt, dass bei der Adsorption von Wasserstoff in porösen Materialien eine von der Materialstruktur und der Oberflächenbedeckung unabhängige Korrelation zwischen Adsorptionsenthalpie und -entropie besteht. Die nutzbare Kapazität als wesentlicher Parameter für die Anwendung poröser Materialien in Kryoadsorptionstanks wurde in Abhängigkeit des Druck- und Temperaturbereichs untersucht und mit den Materialparametern, insbesondere der Adsorptionsenthalpie korreliert. Dies erlaubt die zielgerichtete Entwicklung neuer Materialien für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen und die Optimierung der Tanksysteme und des Wärmemanagements.