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7.2 Membranverfahren 135
7.2 Membranverfahren
Bei den zur Befeuchtung der Reaktandengase in Brennstoffzellen eingesetzten Membranen
handelt es sich um Lösungs-Diffusions-Membranen. In Lösungs-Diffusions-Membranen findet
ein diffusionskontrollierter Stoffaustauschvorgang statt. Die Triebkraft des Transportmechanismus
ist die Differenz des elektrochemischen Potentials zwischen beiden Seiten der Membran.
Eine Beschreibung des Stofftransports in den Membranen erfolgt mit Hilfe des Lösungs-Diffusions-Modells
[104, pp. 40], [106]. Das vorliegende Kapitel beschränkt sich auf die rein experimentelle
Charakterisierung der Befeuchter. Aufbau und Geometrie des untersuchten Befeuchtermoduls
entsprechen dem in Kapitel 3.1 beschriebenen Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelle
mit Mäanderströmungsstruktur. Anstelle der katalysatorbeschichteten Membran tritt eine
unbeschichtete, 90 µm dicke Nafion ® -Membran. Die für den Wasseraustausch zur Verfügung
stehende Membranfläche beträgt 244 cm².
7.2.1 Experimentelle Charakterisierung des Pervaporationsbefeuchters
In dem Pervaporationsbefeuchter trennt die quellfähige Polymermembran den zu befeuchtenden
Gasraum von einem temperierten flüssigen Wasserkreislauf ab. Der Reaktandengasstrom
ist im Folgenden als Permeat, das flüssige Wasser als Feed bezeichnet. Feed und Permeat
werden im Gegenstrom zueinander zugeführt. Die Versuche beschränken sich auf Luft als Permeat.
Luft wird dem Befeuchter getrocknet ( T Tau
< -40 °C) bei Umgebungstemperatur zugeführt.
Die Taupunkttemperatur des befeuchteten Permeats wird am Austritt des Befeuchters mit Hilfe
eines Taupunktmessgerätes ermittelt. Der Messfehler der gemessenen Taupunkttemperatur der
befeuchteten Luft wird mit ± 1 K abgeschätzt. Der Volumenstrom des flüssigen Wassers beträgt
rund 1 l/min. Um Wärmeverluste an die Umgebung zu verringern, ist der Befeuchter thermisch
isoliert. Eine detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus findet sich in [107].
In Bild 7.2 ist die Taupunkttemperatur des Permeats am Befeuchteraustritt in Abhängigkeit der
Befeuchtertemperatur für unterschiedliche Gasvolumenströme und Betriebsdrücke dargestellt.
Alle in diesem Kapitel bezeichneten Permeatvolumenströme sind auf trockene Luft unter
Standardbedingungen (1 bar, 273 K) bezogen. Als Befeuchtertemperatur ist der Mittelwert aus
Feedeintritts- und Feedaustrittstemperatur bezeichnet. Die Permeataustrittstemperatur liegt im
Mittel um weniger als 2 K unter der Befeuchtertemperatur. Der maximale Temperaturunterschied
zwischen Permeataustritts- und Befeuchtertemperatur tritt im Fall des größten Gasvolumenstroms
bei der höchsten Befeuchtertemperatur auf und beträgt 6 K. Mit steigender Befeuchtertemperatur
steigt der durch die Membran permeiierte Wassermassenstrom und somit die am
Austritt des Permeats gemessene Taupunkttemperatur. Obwohl die erreichte Taupunkttemperatur
des Permeats mit größer werdendem Gasvolumenstrom sinkt, steigt die übertragene
Wassermenge. Der Grund dafür liegt in dem triebkraftverstärkenden Effekt eines geringeren
mittleren permeatseitigen Wasserpartialdrucks. Des Weiteren bewirkt die höhere Strömungsgeschwindigkeit
eine Verringerung der Konzentrationspolarisation. Eine permeatseitige Drucksteigerung
führt zu deutlich erhöhten Permeattaupunkttemperaturen. Beispielsweise liegt bei
einem Volumenstrom von 20 l/min und einer Befeuchtertemperatur von 70 °C die Taupunkttem-