Development of a new energy storage concept for telecommunication satellites

Abstract

In Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Konzept zur Sekondären Energiespeicherung auf Telekommunikationssatelliten entwickelt und untersucht. Das System besteht aus einer Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur sowie Tanks für Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Anders als konventionelle reversible Brennstoffzellensysteme führt das neue Konzept eine direkte thermische Kopplung zwischen der Brennstoffzelle und einem Metallhydrid-Tank ein. Das Metallhydrid dient so als Wasserstoff, und Wärmespeicher.<br />Berechnungen des Systems haben das Potential dieses Konzepts gezeigt.<br />Durch die direkte thermische Kopplung können fast 95% der Abwärme der Brennstoffzelle im Metallhydrid aufgenommen werden, während Wasserstoff freigesetzt wird. Durch die daraus resultierende Gewichtsreduktion des thermischen Subsystems auf dem Satelliten erhöht sich die spezifische Energie des Systems um mehr als 40% gegenüber einem konventionellen reversiblen Brennstoffzellensystem. Das ergibt eine mehr als 100% Steigerung der spezifischen Energie im Vergleich zu neuesten Lithium-Ionen Batterien. Außerdem konnte das Volumen des Systems um fast 70% reduziert werden.<br />In dieser Arbeit wurde eine Kombination aus einer Hochtemperatur Protonen-Austausch-Membran Brennstoffzelle und dem komplexen Metallhydrid Natrium Alanat untersucht, obwohl das entwickelte Konzept nicht nur für diese Wahl interessant ist. Ein Experiment wurde entworfen und aufgebaut, um die Temperaturverteilung im Metallhydrid, sowie die Wasserstoff-Abgabe durch die Hydrierungsreaktion bei einem vorgegebenen Temperaturprofil zu messen.<br />Eine Simulation auf Basis der Methode der Finiten Elemente wurde programmiert und mit den Messergebnissen verglichen. Darin wurde ein detailliertes physikalisches Modell der zweiphasigen Hydrierungsreaktion von Natrium Alanat implementiert, um die Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellen-Metallhydrid Systems sowie die lokale Änderung der Beladung des Metallhydrids zu berechnen. Mit diesem Modell konnte der Wasserstoff-Fluss zu der Brennstoffzelle infolge der Aufnahme von deren Abwärme im Metallhydrid für das direkt gekoppelte System simuliert werden.<br />

In this thesis, a new concept for secondary energy storage on telecommunication satellites has been developed and investigated. The proposed system consists of a fuel cell and an electrolyser, as well as storage tanks for hydrogen, oxygen and water. Unlike conventional reversible fuel cell systems (RFCS), the new concept introduces a direct conductive thermal coupling between the fuel cell and a metal hydride tank, functioning as hydrogen storage as well as heat storage.<br />Calculations of the system have shown the potential of this concept. Due to the direct thermal coupling, it is possible to use almost 95% of the fuel cells dissipation heat to release hydrogen from the metal hydride.<br />By reducing the necessary weight of the thermal hardware, the specific energy of the system could be increases by more than 40% of the conventional RFCS, which accounts for more than 100% increase, when compared to Li-batteries. Also, the volume of the system could be reduced by almost 70%.<br />In this theses, a combination of a high temperature proton exchange membrane fuel cell (HTPEMFC) and the complex metal hydride sodium alanate has been investigated, though the proposed concept does not depend on that choice. An experiment has been designed and manufactured, being able to measure the temperature distribution as well as the hydrogen release from the hydrogenation reaction, resulting from a given temperature profile.<br />A simulation using the finite elements method has been developed and compared with the measurements. A detailed model of the two phase hydrogenation reaction has been implemented to predict the temperature distribution of the fuel cell-metal hydrogen system, as well as the local changes in the hydrogen loading. With this model, the hydrogen flow to the fuel cell as a result of its dissipation heat could be simulated for the direct conductive coupling between fuel cell and metal hydride.<br />