A metal hydride air-conditioning system for fuel cell vehicles

Abstract

High-pressure tanks are the established hydrogen storage technology for automotive systems. However, around 15% of the lower heating value of hydrogen is required for compression up to a pressure of 700 bar. Since this energy is available onboard but has been wasted so far, an “open” cooling system based on metal hydrides (MHs) is a promising way to utilize the potential energy of compressed hydrogen. The thesis presents the systematic investigation of a first-of-its-kind system and a demonstration of the extent to which this energy can be transformed into useful cold. For this purpose, an experimental setup is built that consists of two novel plate reactors coupled to a polymer electrolyte membrane fuel cell (FC). The reactors with an optimized heat transfer characteristic and an average heat transfer distance in the MH bed of 0.44 mm are filled with around 1.5 kg of Hydralloy® C2 (Ti0.98Zr0.02Mn1.46V0.41Cr0.05Fe0.08), which is thermodynamically characterized in the temperature range of 0-50 °C. The functional demonstration at an electrical power of 5 kW shows that the FC operation is not affected by the alternately H2-desorbing reactors with a half-cycle duration of 145 s. Hydrogen is absorbed at a pressure of 35 bar and a continuous flow rate is released at an FC backpressure of 4.1 bar. Under reference conditions for an ambient temperature of 30 °C and a cooling temperature of 20 °C, around 45% of the as-yet-unexploited potential energy of hydrogen at 700 bar can be utilized by generating a cooling effect. A novel operation optimization of time-shifted valve switching increases the performance by more than 50% compared to the case without its implementation. Based on reference conditions, extensive performance investigations are performed while varying the key influencing parameters: the electrical FC power and the operating temperatures. The variation of the electrical FC power between 1.8 and 7.9 kW results in a maximum average cooling power of 807 W at an electrical power of 7 kW, reaching a specific cooling power of 564 W kgMH-1 referred to the MH mass of a single reactor. The performance decreases with rising ambient temperatures (varied in the range of 24.3-42.3 °C) and decreasing cooling temperatures (varied in the range of 13-25.4 °C) due to increased thermal losses and reduced half-cycle times. To further improve the performance, the plate reactor is numerically investigated and optimization recommendations are given. The validated model shows that an increase of the cooling power is obtained by reducing the distance of the hydrogen gas transport, the porosity of the MH bed and the FC backpressure. For this optimized system design, related to the maximum obtainable cooling power of 18.3% of the electrical FC power, cooling efficiencies above 60% are feasible even in harsher operating conditions. As an innovative “hydrogen pressure transducer”, the system can be transferred to all applications where a hydrogen pressure difference is available.

Hochdrucktanks sind die etablierte Speichertechnologie für Wasserstoff in mobilen Systemen. Jedoch werden für die Kompression auf 700 bar etwa 15 % des unteren Heizwertes von Wasserstoff benötigt. Eine „offene“ Klimaanlage auf Basis von Metallhydriden (MH) stellt einen vielsprechenden Ansatz dar, um diese bisher ungenutzte und im Fahrzeug vorhandene potentielle Energie des komprimierten Wasserstoffs als Antriebsenergie zu verwenden. In der vorliegenden Dissertation wird ein solches System erstmalig systematisch untersucht und demonstriert, inwieweit diese Energie in nutzbare Kälte gewandelt werden kann. Dafür wird ein Versuchsaufbau realisiert, der aus zwei neuartigen Plattenreaktoren besteht, die mit einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (BSZ) gekoppelt sind. Die Reaktoren mit optimierter Wärmeübertragungscharakteristik und einem mittleren Wärmetransportweg von 0,44 mm im MH-Bett sind mit ca. 1,5 kg Hydralloy® C2 (Ti0.98Zr0.02Mn1.46V0.41Cr0.05Fe0.08) befüllt, das im Temperaturbereich von 0 bis 50 °C thermodynamisch charakterisiert wird. Der Funktionsnachweis bei einer elektrischen Leistung von 5 kW zeigt, dass die BSZ- Funktionalität durch die alternierenden Reaktoren mit einer Halbzyklusdauer von 145 s nicht beeinträchtigt wird. Wasserstoff wird bei 35 bar absorbiert und ein kontinuierlicher Massenstrom bei einem BSZ-Gegendruck von 4,1 bar zur Verfügung gestellt. Unter Referenzbedingungen mit einer Umgebungstemperatur von 30 °C und einer Kältetemperatur von 20 °C, können etwa 45 % der bisher ungenutzten potentiellen Energie des Wasserstoffs bei 700 bar in Kälte gewandelt werden. Darüber hinaus erhöht eine neuartige Betriebs-optimierung die Leistung um mehr als 50 % im Vergleich zu ohne deren Einsatz. Auf Grundlage der Referenzbedingungen wird des Weiteren eine Leistungsuntersuchung für eine Variation der wesentlichen Einflussparameter durchgeführt: Die elektrische BSZ-Leistung und die Betriebstemperaturen. Die Variation der elektrischen BSZ-Leistung zwischen 1.8-7.9 kW resultiert in einer max. Kühlleistung von 807 W bei einer elektrischen Leistung von 7 kW, wobei eine spezifische Kälteleistung von 564 W kgMH-1 bezogen auf einen Einzelreaktor erreicht wird. Die Leistungsfähigkeit nimmt mit steigenden Umgebungstemperaturen (variiert im Bereich von 24,3-42,3° C) und sinkenden Kältetemperaturen (variiert im Bereich von 13-25,4 °C) aufgrund erhöhter thermischer Verluste und reduzierter Halbzyklenzeiten ab. Für eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte wird der Plattenreaktor numerisch untersucht und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das validierte Modell zeigt, dass eine Steigerung der Kälteleistung durch Reduzierung des Wasserstofftransportweges, der Porosität des MH-Bettes sowie des BSZ-Gegendrucks erreicht werden kann. Bezogen auf die maximale Kälteleistung von 18,3 % der elektrischen BSZ-Leistung ist für dieses optimierte Design, selbst unter erschwerten Betriebsbedingungen, ein Kältewirkungsgrad von über 60 % realisierbar. Als innovativer „Wasserstoff-Druckminderer“ ist das System auf alle Anwendungen übertragbar, bei denen eine Wasserstoff-Druckdifferenz vorliegt.