Analyse zur Zellinternen Befeuchtung eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels

Es wird das Prinzip der Zellinternen Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Mit diesem Konzept zur Gasbefeuchtung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle kann die Systemkomplexität eines Brennstoffzellenaggregates verringert und die Leistungsfähigkeit gesteigert werden. Diese Arbeit umfasst theoretische und experimentelle Untersuchungen, um die Machbarkeit und Grenzen der Zellinternen Befeuchtung aufzuzeigen. Die Zellinterne Befeuchtung besteht aus wasserdurchlässigen Flächen, welche an die aktive Fläche der Membran-Elektroden-Einheit einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle angrenzen. Für eine qualitative Untersuchung der Zellinternen Befeuchtung wird ein analytisches Berechnungsmodell erarbeitet, welches den Wassertransport durch die Befeuchtungs-flächen beschreibt. Das Modell ermittelt den durch die Befeuchtungsfläche übertragenen Wassermassenstrom in Abhängigkeit der einströmenden trockenen Gasmassenströme, deren Wasserdampfpartialdrücke und der wirksamen Übertragungsfläche. Aufbauend auf einer theoretischen Herleitung wird praktisch bewiesen, dass eine mit zwei Stoffströmen gespeiste Stoffübertragungsapparatur eine funktionale Betriebscharakteristik analog zu einem Wärmeübertrager aufzeigt. Die Zellinterne Befeuchtung wird auf experimentellem Wege, anhand aufgenommener Polarisationskurven, quantitativ analysiert. Es wird gezeigt, dass durch die Zellinterne Befeuchtung eine deutliche Leistungssteigerung von Brennstoffzellenaggregaten erreicht werden kann.