Automotive cooling systems based on metal hydrides

Abstract

The present work focuses on metal hydride sorption systems as an alternative technology for automotive air-conditioning systems. Although this technology offers the possibility to increase the energy efficiency of a car (by utilising waste heat) and consequently reduces the CO2 emissions, its weight specific cooling power has so far been the main obstacle for an automotive application. Based on investigations of various metal hydrides, two alloys (LmNi4.91Sn0.15 and Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) were chosen for further investigations on different laboratory test benches. A capillary tube bundle reaction bed was applied due to its large heat transfer surface and consequently expected short cycle times. The experimental investigations were carried out systematically starting with material characterisation of each individual metal hydride (Pressure-concentration isotherm measurements, intrinsic absorption/desorption kinetics), followed by the measurement of individual reaction bed dynamics (for both alloys) and the analysis of the coupled metal hydrides (sorption system).

One important result obtained from the measurements of individual reaction bed dynamics is the limitation of the fast metal hydride sorption system due to slow intrinsic desorption kinetics of the alloy working at low temperatures (cooling temperature). Therefore, the very fast AB2-type alloy (Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) was applied at the high-pressure side (low temperatures) which allows half-cycle times of the sorption system in the range of 100 to 120 s. The corresponding specific cooling power of the sorption system is therefore around 640 W/kg related to the desorbing alloy. In comparison to the state of the art metal hydride based cooling system, the specific power of the sorption system is more than tripled which leads to a clearly reduced necessary mass of metal hydride.

Based on the experimental investigations, two different metal hydride sorption systems for automotive cooling were investigated: The thermally driven sorption system (closed system) and an open system for hydrogen-fueled cars that is conceptually proposed in this work. This new metal hydride sorption system utilizes the hydrogen pressure difference between a high-pressure storage tank and the fuel cell or combustion engine. Its main advantage in comparison to the closed sorption system is the clearly reduced system complexity that is especially necessary for automotive cooling.

Die vorliegende Arbeit untersucht Metallhydrid-Sorptionssysteme als eine Alternative zu konventionellen Fahrzeug-Klimaanlagen. Mit Hilfe dieser Technologie ist sowohl eine Effizienzsteigerung des Fahrzeugs als auch eine damit einhergehende Reduzierung der CO2-Emissionen möglich (durch Nutzung der Abwärme). Bisher ist allerdings die gewichtsspezifische Leistung der maßgebliche Hinderungsgrund für eine Anwendung im Fahrzeugbereich. Anhand der Untersuchung zahlreicher Metallhydride wurden zwei Legierungen (LmNi4.91Sn0.15 und Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) für weitergehende Experimente an verschiedenen Testständen im Labor ausgewählt. Auf Grund der großen Wärmeübertragungsoberfläche und der damit verbundenen erwarteten kurzen Zykluszeit wurde ein Kapillarrohrbündel-Reaktionsbett verwendet. In systematischen, experimentellen Untersuchungen wurden zunächst die Materialeigenschaften beider Metallhydride getrennt voneinander bestimmt (Konzentrations-Druck Isothermen, intrinsische Absorptions- und Desorptionskinetik), gefolgt von Messungen der Reaktionsdynamik des einzelnen Reaktionsbetts (für beide Legierungen) und der Untersuchung von gekoppelten Metallhydriden (Sorptionssystem).

Ein wichtiges Ergebnis der Dynamikmessungen mit einzelnen Reaktionsbetten ist die Leistungsbeschränkung des schnellen Sorptionssystems auf Grund der langsamen intrinsischen Desorptionskinetik der Legierung bei tiefen Temperaturen (Kühltemperatur). Daher wurde die sehr schnelle AB2-Legierung (Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) auf der Hochdruckseite (tiefe Temperaturen) verwendet, was eine Halbzykluszeit des Sorptionssystems in der Größenordnung von 100 bis 120 s ermöglichte. Die entsprechende spezifische Kühlleistung beträgt damit ca. 640 W/kg bezogen auf das desorbierende Metallhydrid. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik der Metallhydrid-Sorptionssysteme konnte die spezifische Leistung des Systems damit mehr als verdreifacht werden, wodurch sich die benötigte Masse an Metallhydrid deutlich reduziert.

Anhand der experimentellen Untersuchungen wurden zwei unterschiedliche Metallhydrid-Sorptionssysteme zur Fahrzeugkühlung untersucht: Das thermisch betriebene Sorptionssystem (geschlossenes System) sowie ein offenes System für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge, das konzeptionell in dieser Arbeit vorgeschlagen wird. Dieses neue System nutzt die Wasserstoffdruckdifferenz zwischen einem Hochdruckspeicher und der Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor. Der größte Vorteil im Vergleich zu dem geschlossenen Sorptionssystem liegt in einem deutlich einfacheren Aufbau, der gerade für eine Anwendung im Automobilbereich notwendig ist.