Bearbeiter: Dipl.-Ing. S. Dwenger
Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) wurden in den vergangenen Jahren intensiv erforscht, da ein hoher Wirkungsgrad und die Aussicht auf emissionsfreie Energieerzeugung für Anwendungen im mobilen, wie auch stationären Fall interessant sind.
Die PEMFC besteht aus einer protonenleitenden Polymermembran, welche sich zwischen zwei porösen Elektroden angeordnet ist. Jede Elektrode besteht aus einem porösen Gas-Diffusions-Medium (GDL) und einer katalytisch wirksamen Platinschicht (K), welche auch als Backing bezeichnet wird. All dies befindet sich zwischen zwei Platten, die die elektrische Kontaktierung, wie auch die Gasversorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff sicherstellen.
Ein momentanes Hauptproblem der PEMFC ist das Wassermanagement: Einerseits benötigt die Membran einen gewissen Wassergehalt zur Protonenleitung, auf der anderen Seite verhindert zuviel Wasser in der Brennstoffzelle einen optimalen Gastransport zum Katalysator. Je nach Lastzustand der Brennstoffzelle (also dem anliegenden elektrischen Strom) verändern sich zugeführte Gasmenge und deren Wassersättigung, was entweder zum Austrocknen der Membran oder Flutung der Gasverteiler führen kann. Die Flutung der Gasverteiler lässt die Leistung der Zelle einbrechen, daher sind Wege zur Wasserentfernung (besonders an der Kathodenseite) aus der Brennstoffzelle wie auch die Optimierung der Entfernungsstrategien von herausragendem Interesse. Dies kann beispielsweise durch speziell konstruierte Gasverteiler oder durch stark hydrophobe Gas-Diffusions-Medien erreicht werden, welche die leistungshemmende Ansammlung von Wasser in Brennstoffzellen verringern oder gar verhindern kann.
Momentan ist es nicht möglich den Transport von Wasserdampf und flüssigem Wasser durch das Backing genau zu modellieren. Auch die Messung von Wassergehalt in Gasverteiler und Gas-Diffusions-Medium ist aufgrund der kleinen Abmessungen der jeweiligen Bauteile nicht möglich. Daher beruhen viele der heute verwendeten Brennstoffzellen-Modelle auf stark vereinfachten Beziehungen wie auch vereinfachenden Annahmen. Je nach Betriebszustand werden verschiedene Korrelationen angewandt, die auf bestimmten Parametern basieren. Diese lassen sich aber nicht auf andere Betriebszustände, Lastwechsel, Materialien oder Oberflächeneigenschaften extrapolieren.
Ein neuer Ansatz könnte die Verwendung eines Mehrphasen-Modells für Grundwasserfluss aus dem Umwelt-Ingenieurbereich darstellen, welches z.B. für die Modellierung von Schadstoffausbreitung im Grundwasseraquifer oder der Simulation von Ölfeldern verwendet wird. In diesem Fall wird ein Darcy-Fluss durch ein poröses Medium angenommen – Oberflächenspannungen und Porenradius bestimmen die Kapillarkraft, welche als treibende Kraft des Prozesses die bedeutendste Rolle spielt. Ein Gedanke des Projektes ist diesen Ansatz zu übertragen und den Transport von Wasser innerhalb des Backings zu beschreiben.
Im Gegensatz zu Grundwasser- und Bodenhydraulikproblemen, bei denen das poröse Medium immer hydrophil ist, findet man bei der Brennstoffzelle hydrophobe oder gemischte (hydrophobe und hydrophile) Eigenschaften vor. Die Berücksichtigung dieser hydrophoben Eigenschaften in das bestehende Mehrphasenmodell wie auch die Einbindung von Hysterese-Effekten beim Wechselspiel zwischen Benetzung und Entwässerung stellen eine weitere Herausforderung dar.
Daher wird die Problemstellung mit Hilfe von Simulationen und Experimenten von zwei Seiten angegangen. Im Rahmen des internationalen Graduiertenkollegs NUPUS („non-linearities and upscaling in porous media“) erfolgt dies in Kooperation mit Andreas Lauser (IWS), welcher die Simulation von Mehrphasen-Multikomponenten Prozessen in hydrophoben Gas-Diffusions-Medien mit gemischter Benetzbarkeitdurchführt. Am ICVT soll vor allem der experimentelle Teil durchgeführt werden, bei dem Strukturen mit verschiedener Porengröße und -struktur, wie auch mit unterschiedlichen Hydrophobizitäten hergestellt werden sollen. Mit Hilfe dieser Materialien sollen verschiedene Experimente (Gleich- und Gegenstromanordnung) bei unterschiedlichsten Bedingungen durchgeführt werden. Weiter sollen Kapillardruck-Sättigungsbeziehungen für dünne, poröse Schichten ermittelt werden. Hierzu wird eine Messeinrichtung entwickelt, welche die Messung und definierten Kompressionen erlaubt. Darüberhinaus werden Messung von relativen Permeabilitäten helfen die auftretenden Effekte und Prozesse in der Simulation besser abzubilden.
Die Verwendung der gemessenen Konstitutivbeziehungen, wie auch ein Abgleich der Gegen- und Gleichstrommessungen mit Simulationen der Gleich- und Gegenstromexperimente soll dabei helfen, Simulationen von Gas- und Wassertransport in hydrophoben Strukturen ohne anpassbare Parameter zu ermöglichen. Außer bei der Brennstoffzelle könnte das Wissen auch in vielen anderen Anwendungen, wie der Trocknung von porösen Materialien Verwendung finden.
-
M. Acosta, et. al.
Modeling non-isothermal two-phase multicomponent flow in the cathode of PEM fuel cells
Journal of Power Sources, 2006, 159, 1123-1141 -
F. Meier
Stofftransport in Polymerelektrolyt-Membranen für Brennstoffzellen – experimentelle Untersuchung, Modellierung und Simulation
Dissertation, Universität Stuttgart, 2005 (Logos Verlag Berlin, 2005)