Untersuchung des Langzeitverhaltens der thermodynamischen Stabilität von Metallhydriden

Abstract

Neben Druckbehältern und der Wasserstoffverflüssigung stellt die Bindung von Wasserstoff in Form von Metallhydriden eine weitere interessante Speicheroption dar. Durch die Wärmetönung der reversiblen Metall-Wasserstoff-Reaktion läßt sich der Prozeß auch für den Betrieb zyklisch arbeitender thermodynamischer Maschinen nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden LaNi5 und sieben davon abgeleitete Verbindungen auf ihre Tauglichkeit für den Zyklusdauerbetrieb untersucht. Im Mittelpunkt stehen die Zyklusdauertests mit bis zu 80000 Zyklen pro Material. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsstand aufgebaut, der es ermöglicht, acht verschiedene Materialien gleichzeitig und unabhängig voneinander zu zyklieren. Vielfältige begleitende Experimente (Konzentrations-Druck-Isothermen, Thermische Desorptionsspektroskopie, Röntgenbeugung, Magnetisierung und Laser-Granulometrie) und theoretische Modelle tragen zur Klärung der mikroskopischen Vorgänge bei, die der Speicherdegradation zugrundeliegen. Außerdem werden die Einflüsse wichtiger Zyklierungsparameter (Temperatur und Druck) und der Materialzusammensetzung quantifiziert. Auf der Basis der zahlreichen Messungen werden auch die Parameter geeigneter Regenerierungsprozeduren zur Wiederherstellung der ursprünglichen Materialeigenschaften angegeben.

Besides pressure vessels and hydrogen liquefaction the bonding of hydrogen as a metal hydride is another interesting storing option. Taking advantage of the enthalpy change that occurs during the reversible metal-hydrogen reaction the process can also be used for periodically working thermodynamic machines. In the work presented here LaNi5 and seven of its derivatives are checked with respect to their applicability in long-term cyclic operation. Focussing on cyclic life tests with up to 80,000 absorption/desorption cycles a test rig was built which makes possible the simultaneous and independent cycling of eight different samples. A great variety of accompanying experiments (pressure-composition-isotherms, thermal desorption spectroscopy, X-ray powder diffraction and magnetization) and theoretical modelling provides an insight into the microscopic processes underlying the degradation of the hydrogen store. Furthermore the influence of important cycling parameters (temperature and pressure) and of the material composition is quantified. By the evaluation of the numerous experiments the parameters for adequate regeneration procedures are given to restore the initial material properties.