Charakterisierung von PCM

Motivation und Service

© Fraunhofer IFAM Dresden

Ausgewählte Phasenwechselmaterialien für latente thermische Speicher: (1) Paraffin RT82 (Schmelzpunkt 82 °C), (2) Aluminiumsulfat-Salzhydrat (Schmelzpunkt 88 °C), (3) Kaliumnitrat (Schmelzpunkt 337 °C)

In latenten thermischen Speichern werden Phasenwechselmaterialien (PCM … Phase Change Materials) als Speichermedien eingesetzt, dabei wird der Phasenwechsel fest/flüssig und damit die Schmelzwärme zur Speicherung thermischer Energie genutzt.

Für die Auslegung und Entwicklung von Hochleistungs-Wärmespeichern ist es von besonderer Bedeutung, über zuverlässige Informationen bezüglich der thermophysikalischen Stoffdaten der PCM und deren Interaktion mit den Behälter- bzw. Kapselwerkstoffen zu verfügen. Wichtige Größen sind

• die Schmelztemperatur und die spezifische Schmelzwärme,
• die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit,
• die Dichte sowie
• die Korrosivität gegenüber Verkapselungsmaterialien.

Mit der zur Verfügung stehenden Laborausstattung können wir viele dieser Größen – teilweise auch unter zyklischer thermischer Belastung – für typische PCM-Klassen wie

• organische PCM (Paraffine, Fettsäuren, Zuckeralkohole u. a.) sowie
• anorganische PCM (Salzhydrate, Nitrat- und Nitritsalze)

bestimmen. Dazu im Folgenden detailliertere Informationen.

Stoff- und Transportgrößen

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(1) Hot-Disk-Wärmeleitfähigkeitsmessung an einer Paraffin-infiltrierten porösen Kupferstruktur, (2) Stationäre Hochtemperatur-Plattenapparatur zur Wärmeleitfähigkeitsmessung, (3) Paraffin-infiltrierter Aluminiumschaum

Am Fraunhofer IFAM Dresden stehen im wärmetechnischen Labor sowie in der Thermoanalyse hochwertige Messsysteme zur Bestimmung unterschiedlicher thermophysikalischer Stoffdaten von PCM bzw. PCM-Metall-Verbundwerkstoffen zur Verfügung:

  1. Messung der Schmelztemperatur und der spezifischen Größen Wärmekapazität und Schmelzwärme mit Hilfe der Dynamischen Differenz Kalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry DSC, kleine Probenmengen – nur reine PCM),
  2. Alternativ: Messung der spezifischen Schmelzwärme in einem eigens entwickelten Kalorimeter (Apparatur wird noch aufgebaut, für größere Proben), Wärmekapazitätsmessung bei Raumtemperatur auch mit dem Hot-Disk-Messsystem,
  3. Messung der Wärmeleitfähigkeit der festen Phase von PCM bzw. PCM-Verbundwerkstoffen bei Raumtemperatur mit dem Hot-Disk-Messsystem sowie bei höheren Temperaturen (bis 600 °C) mit den stationären Plattenapparaturen.

Korrosionsuntersuchungen

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Korrosionsuntersuchungen: (1) Versuchsanlage zur thermischen Zyklierung von Materialproben (2) in einem schmelzenden/erstarrenden PCM (rechts unten: mikroskopische Abbildung der Materialoberfläche)

Neben den thermophysikalischen Eigenschaften spielen im Hinblick auf den zuverlässigen und sicheren Einsatz latenter thermischer Speicher auch die Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Werkstoffen und dem PCM eine entscheidende Rolle. Korrosion im Speicher kann neben einer Veränderung des PCM vor allem zur Zerstörung des Behälters führen.

Im wärmetechnischen Labor können zyklische Tests von Proben des Kapselmaterials im Zusammenspiel mit dem PCM unter realen Phasenwechselbedingungen durchgeführt werden. Dabei erfolgt mittels einer speziellen Apparatur das zyklische Erwärmen und Abkühlen der Materialprobe im PCM innerhalb einer definierten Temperaturdifferenz um den Schmelzpunkt:

• Probengröße im einstelligen cm-Bereich,
• von Raumtemperatur bis 400 °C,
• vollautomatisierte thermische Zyklierung.

Nach Absolvieren der geforderten Zyklenzahl stehen für die Auswertung anerkannte Analyseverfahren (metallographische Schliffe, REM, EDX usw.) und ein breites werkstoffwissenschaftliches Knowhow zur Verfügung.