Effektive Wärmeleitfähigkeit von Metallhydrid-Materialien zur Speicherung von Wasserstoff

Abstract

Aufbauend auf dem Modell der Einheitszelle von Zehner, Bauer und Schlünder für pulverförmige Stoffe mit inerten Füllgasen wird ein erweitertes Modell zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit &#955;e für Schüttungen mit Reaktion zwischen Feststoff und Füllgas erstellt. Maßnahmen zur Erhöhung von &#955;e wie das Einbringen einer metallischen Wärmeleitmatrix oder das Aufbringen einer zusatzlichen äußeren Last können mit diesem erweiterten Modell ebenfalls berücksichtigt werden. Ein Vergleich zwischen den gemessenen und berechneten Werten der effektiven Wärmeleitfähigkeit sehr unterschiedlicher Metallhydrid-Materialien zeigt eine gute Übereinstimmung. Experimentelle Untersuchungen erfolgen am Niedertemperatur-Metallhydrid HWT 5800 und am Mitteltemperatur-Metallhydrid LaNi4,7Al0,3Hx bei Temperaturen und Drücken im Bereich -80 < &#977; < 140 °C bzw. 10-6 < p < 60 bar. Die Porosität des nicht hydrierten Metallpulvers wird zwischen 0,445 und 0,6 variiert. Die Versuchsanlage arbeitet nach dem transienten Heißdrahtverfahren. Als Haupteinflußgröße für die effektive Wärmeleitfähigkeit erweist sich der anliegende Wasserstoffdruck, während die Temperatur nur indirekt einen Einfluß zeigt. Im Bereich des jeweiligen Druckplateaus der Konzentrations-Druck-Isothermen (KDI) wird der für Schüttungen typische Smoluchowski-Verlauf von einem zusätzlichen Effekt überlagert: Die Einlagerung von Wasserstoffatomen auf Zwischengitterplätzen im Metallgitter bewirkt einen Phasenwechsel, der eine Volumendehnung der Partikel nach sich zieht. Die damit verbundene zusätzliche Pressung der Partikel verursacht eine Vergrößerung des Kontaktflächenanteils und damit eine Erhöhung von &#955;e. Dem entgegen wirkt die Abnahme der Feststoffwärmeleitfähigkeit mit zunehmender Hydrierung. Ergänzend wird im erweiterten Modell für reagierende Schüttungen der während der ersten Be- und Entladezyklen stattfindende Partikelzerfall berücksichtigt, der die anfänglich polydisperse Schüttung in Richtung monodispers verschiebt. Die mittlere freie Weglänge der Wasserstoffmoleküle erreicht aufgrund des Partikelzerfalls auch im technisch noch relevanten Druckbereich eine mit den Porenabmessungen vergleichbare Größenordnung.

Based on the cellular-model for bulk goods with inert void gases by Zehner, Bauer and Schlünder an extended model is developed to calculate the effective thermal conductivity &#955;e of powdery materials with a reaction between fluid and solid. This extended model takes into account different methods of increasing &#955;e such as a built in metallic matrix or the application of an external force. Measured and calculated values of the effective thermal conductivity of different metal-hydrides show good agreement. Experimental investigations have been carried out on the low temperature hydride HWT 5800 and on the medium temperature hydride LaNi4,7Al0,3Hx within the temperature range between 80 and 140°C and the pressure range between 10-6 and 60 bar. The porosity of the pure metal-powder is varied between 0,445 and 0,6. The measurement principle used is the transient hotwire method. &#955;e depends primarily on the hydrogen pressure while the temperature only has an indirect influence. In the region of the pressure plateau of each pressure concentration-isotherm (PCT) the typical S-shape of the effective thermal conductivity is overlapped by an additional effect: the interstitial dissolution of hydrogen in metals causes a phase change which in turn leads to an elastic expansion of the particles. The resulting additional compression of the particles causes a growth of their contact areas and a corresponding growth of &#955;e. On the other hand the thermal conductivity of the solid decreases with increasing hydrogen concentration. The extended model is also capable of taking into account the decomposition of the particles during the first cycles of hydrogen absorption and desorption. During this time the grain size distribution changes from polydisperse to monodisperse. Consequently the void dimensions decrease and reach the mean free path of the hydrogen molecules even in technical applications.