Publisher's Synopsis
Betriebsverhalten und Leistung von Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen werden durch den Stofftransport durch die Membran stark beeinflusst. Die Ermittlung und modellmassige Beschreibung der massgeblichen Stofftransportmechanismen sowie der sie charakterisierenden, von den Membraneigenschaften abhangigen Grossen 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 fur Nafion als auch fur die am Institut fur Chemische Verfahrenstechnik hergestellten Membranen auf Polyaryl-Basis steigen die untersuchten Transportgrossen - elektroosmotische Wassertransportzahl, hydraulische Permeabilitat und Methanol-Diffusionskoeffizient - deutlich und nahezu linear mit der Quellung der Membran an. Die Transportparameter sind fur Polyaryl-Membranen bei gleichem Wassergehalt stets niedriger als fur Nafion. Fur diese Membranen ist bekannt, dass sie kleinere hydrophile Kanale als Nafion aufweisen. Gleichzeitig korreliert die Membranquellung mit der Vergrosserung der hydrophilen Kanale in der Membran. Dies weist auf den dominierenden Einfluss der Mikrostruktur der Membran auf ihre Transporteigenschaften hin. Die experimentell ermittelten Transportgrossen dienen im Folgenden der Parametrisierung der Modelle fur 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 uberlagert. In einem 1 D-Modell fur die H2-Brennstoffzelle ergibt sich mit dem Membranmodell eine gute quantitative Ubereinstimmung von simulierten und gemessenen Strom-Spannungskennlinien und Wasserflussen durch die Membran. Fur die DMFC wurde das Membranmodell um den Methanol-Transport durch die Membran erweitert. Dieser wird durch Diffusion und Konvektion mit dem uberlagerten 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 Strome an Wasser, Methanol und CO2 bestimmt. Uber einen weiten Betriebsbereich ergibt sich eine gute Ubereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Stoffstromen durch die Membran. Methanol wird hauptsachlich 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 fuhrt lediglich bei geringen Stromdichten zu Spannungsverlusten durch Mischpotentialbildung.
