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7.3 Zusammenfassung 139
7.3 Zusammenfassung
Die ionische Leitfähigkeit der in den Brennstoffzellen verwendeten Membranen hängt stark von
ihrem Wassergehalt ab. Um erhöhten ohmschen Verlusten und einer möglichen Membranschädigung
vorzubeugen, müssen die Reaktanden vor dem Eintritt in die Zelle befeuchtet werden.
Eine experimentelle Charakterisierung eines Membranbefeuchtermoduls zeigt, dass sich Membranverfahren
zur Befeuchtung der Reaktandengase in PEFCs als besonders geeignet erweisen.
Das Befeuchtermodul wird sowohl als Pervaporations- als auch als Gaspermeationsbefeuchter
betrieben. Aufbau und Geometrie des untersuchten Moduls entsprechen dem in Kapitel
3.1 beschriebenen Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelle mit Mäander-Strömungsstruktur.
Anstelle der katalysatorbeschichteten Membran tritt eine unbeschichtete, 90 µm dicke Nafion ® -
Membran. Die für den Wasseraustausch zur Verfügung stehende Membranfläche beträgt
244 cm².
Wird das Modul als Pervaporationsbefeuchter betrieben, zeigt sich, dass die Austrittstemperatur
des befeuchteten Reaktandengases ungefähr der Befeuchtertemperatur entspricht. Die permeierte
Wassermenge nimmt mit größer werdendem Gasvolumenstrom und steigender Befeuchtertemperatur
zu. Eine Drucksteigerung führt zu deutlich erhöhten Taupunkttemperaturen der
Reaktanden am Austritt des Befeuchters. Am Beispiel des in Kapitel 6.1 beschriebenen 5 kW
Zellstapels wird für zwei unterschiedliche Betriebsdrücke die Anzahl der benötigten Befeuchterzellen
in Abhängigkeit von der Brennstoffzellentemperatur präsentiert. Beispielweise werden bei
einer Brennstoffzellentemperatur von 70 °C und einem Betriebsdruck von 1 bar 5 Befeuchterzellen
mit einer Fläche von jeweils 244 cm² zur Befeuchtung des Wasserstoffs benötigt. Die
Anzahl der Befeuchterzellen verringert sich auf 3, wenn der Betriebsdruck auf 2 bar erhöht wird.
Da die Befeuchterzellen und die Brennstoffzellen baugleich sind, wird empfohlen, die anodenseitigen
Befeuchterzellen in den Brennstoffzellenstapel zu integrieren. Die Speisung der
Befeuchterzellen erfolgt über das nach dem Durchfluss durch den Zellstapel erwärmte Kühlmedium.
Ein positiver Nebeneffekt dieser verfahrenstechnischen Verschaltung ist, dass die
Erwärmung und Befeuchtung des Wasserstoffs dem Kühlmedium Wärme entzieht. Aus diesem
Grund kann der Wärmeübertrager zur Abfuhr der Reaktionswärme an die Umgebung kleiner
ausgeführt werden.
Eine Möglichkeit, die Befeuchtung der Reaktanden ohne Kreislauf mit flüssigem Wasser zu
realisieren, bietet die Gaspermeation. Hier findet ein Wasser- und Wärmeaustausch zwischen
dem trockenen in die Brennstoffzelle strömenden und dem feuchten aus der Brennstoffzelle
strömenden Reaktandengas statt. Die Charakterisierung des Gaspermeationsbefeuchtermoduls
zeigt, dass die geforderte Wassermenge nicht mit dem vorliegenden Flachmembranmodul übertragen
werden kann. Zur Befeuchtung des Oxidans wird daher die Verwendung eines Kapillaroder
Hohlfaserbefeuchtermoduls empfohlen. Diese Module besitzen im Vergleich zu Flachmembranbefeuchtern
eine um ungefähr eine Größenordnung größere Packungsdichte. Des
Weiteren besteht die Möglichkeit, auch das Oxidans mit Hilfe eines über den Kühlwasserkreislauf
gespeisten Pervaporationsbefeuchters zu befeuchten.