Stofftransport in Polymerelektrolyt-Membranen für Brennstoffzellen - experimentelle Untersuchung, Modellierung und Simulation

Betriebsverhalten und Leistung von Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen werden durch den Stofftransport durch die Membran stark beeinflusst. Die Ermittlung und modellmäßige Beschreibung der maßgeblichen Stofftransportmechanismen sowie der sie charakterisierenden, von den Membraneigenschaften abhängigen Größen sind Inhalt der vorliegenden Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung von Transportparametern zeigen, dass der Stofftransport durch die Membran stark von ihrem Wassergehalt beeinflusst wird. Sowohl für Nafion als auch für die am Institut für Chemische Verfahrenstechnik hergestellten Membranen auf Polyaryl-Basis steigen die untersuchten Transportgrößen - elektroosmotische Wassertransportzahl, hydraulische Permeabilität und Methanol-Diffusionskoeffizient - deutlich und nahezu linear mit der Quellung der Membran an. Die Transportparameter sind für Polyaryl-Membranen bei gleichem Wassergehalt stets niedriger als für Nafion. Für diese Membranen ist bekannt, dass sie kleinere hydrophile Kanäle als Nafion aufweisen. Gleichzeitig korreliert die Membranquellung mit der Vergrößerung der hydrophilen Kanäle in der Membran. Dies weist auf den dominierenden Einfluss der Mikrostruktur der Membran auf ihre Transporteigenschaften hin. Die experimentell ermittelten Transportgrößen dienen im Folgenden der Parametrisierung der Modelle für den Stofftransport in der Membran in der H2-Brennstoffzelle und der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC). Wasser wird durch Elektroosmose von der Anode zur Kathode der Brennstoffzelle transportiert. Der sich in der H2-Brennstoffzelle dadurch und durch die Wasserbildung an der Kathode ausbildende Gradient im Wassergehalt der Membran ruft einen Gradient im osmotischen Druck in der Membran hervor. Der resultierende osmotische Wasserfluss ist dem elektroosmotischen Transport überlagert. In einem 1 D-Modell für die H2-Brennstoffzelle ergibt sich mit dem Membranmodell eine gute quantitative Übereinstimmung von simulierten und gemessenen Strom-Spannungskennlinien und Wasserflüssen durch die Membran. Für die DMFC wurde das Membranmodell um den Methanol-Transport durch die Membran erweitert. Dieser wird durch Diffusion und Konvektion mit dem überlagerten Wasserfluss beschrieben. Zur Validierung der DMFC-Simulationsergebnisse dienen Strom-Spannungskennlinien sowie aus dem Halbzell-Betrieb der DMFC bestimmte Spannungsverluste an den Elektroden. Daneben wurde mit Hilfe von FTIR-Spektroskopie die Zusammensetzung des Kathodenabgases gemessen und so die transmembranen Ströme an Wasser, Methanol und CO2 bestimmt. Über einen weiten Betriebsbereich ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Stoffströmen durch die Membran. Methanol wird hauptsächlich diffusiv durch die Membran transportiert wird. Der niedrige Wirkungsgrad der DMFC wird in erster Linie durch hohe Spannungsverluste an der Anode und den niedrigen Faraday-Wirkungsgrad, hervorgerufen durch hohen Methanol-Crossover, verursacht. Die Oxidation des Methanols an der Kathode führt lediglich bei geringen Stromdichten zu Spannungsverlusten durch Mischpotentialbildung.