View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

134 7 Befeuchtung
Reaktandendurchsatz sowie der Abhängigkeit von der Füllstandshöhe beschränkt sich der
Einsatz von Bubblern in Brennstoffzellen auf Laboranwendungen.
Die Dampfbefeuchter unterteilten sich in Druckdampf- und Eigendampfbefeuchter. Da der
Dampf aufgrund der geringen Betriebstemperaturen nicht mit Hilfe des aus der Brennstoffzelle
abgeführten Wärmestroms in ausreichendem Maße erzeugt werden kann, ist diese Art der
Befeuchtung für Niedertemperaturbrennstoffzellen ungeeignet.
Membranverfahren zur Befeuchtung der Reaktanden gliedern sich in Prozesse der Pervaporation
und Gaspermeation. In beiden Prozessen kommen Lösungs-Diffusions-Membranen zum
Einsatz. Bei der Pervaporation trennt die Membran flüssiges Wasser von dem gasförmigen
Reaktandenstrom. Der Partialdruck des durch die Membran permeierenden Wassers ist kleiner
als der zugehörige Sattdampfdruck, so dass das Wasser auf der Reaktandengasseite verdampft.
Die hierzu notwendige Enthalpie wird dem flüssigen Wasser auf der anderen Membranseite
entzogen. Bei der Gaspermeation liegen auf beiden Seiten der Membran gasförmige
Medien vor. In einem solchen Befeuchter findet ein Wasser- und Wärmeaustausch zwischen
dem trockenen in die Brennstoffzelle strömenden und dem feuchten aus der Brennstoffzelle
strömenden Reaktandengas statt. Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Befeuchtungsarten
kann bei der Gaspermeation das in dem Abgas enthaltene gasförmige Wasser zurück gewonnen
werden, ohne dass es in einem Kondensator zuvor in den flüssigen Zustand überführt
werden muss. Bei beiden Membranprozessen können die Befeuchter als Kapillar- oder Hohlfasermodul
oder als Plattenmodul mit Flachmembran ausgeführt werden. Plattenmodule können
direkt in die Brennstoffzellenstapel integriert werden, besitzen allerdings mit < 400 m²/m³
eine geringe Packungsdichte. Kapillar- und Hohlfasermodule zeichnen sich mit < 1000 m²/m³
beziehungsweise < 10000 m²/m³ durch eine deutlich höhere Packungsdichte aus [104, pp. 69].
Auch bei Regeneratoren kann Wasser und Wärme direkt aus den Abgasströmen zurück gewonnen
werden. Das in den Abgasströmen enthaltene Wasser adsorbiert an einer auf dem Rotor
des Regenerators aufgebrachten Beschichtung aus beispielsweise Silcagel oder Zeolith und
wird von dem trockenen Reaktandengas desorbiert [105]. Im Fall von druckaufgeladenen Systemen
kann der Regenerator auch als Zwischenkühler für das komprimierte Gas dienen. Nachteilig
an dieser Art der Befeuchtung ist, dass elektrische Energie für den Antrieb des Rotors
benötigt wird. Ebenfalls muss die Langzeitstabilität der rotierenden Teile sowie der Rotorbeschichtung
unter den in Brennstoffzellensystemen vorherrschenden Bedingungen nachgewiesen
werden.
Im Folgenden wird ein Befeuchtermodul mit Flachmembran experimentell charakterisiert. Das
Modul wird sowohl als Pervaporations- als auch als Gaspermeationsbefeuchter betrieben. Die
Ergebnisse der Charakterisierung dienen der Dimensionierung der Befeuchtereinheiten für
einen 5 kW Brennstoffzellenstapel.