Messungen an PSI- und Nafion-Membranen zur Bestimmung des ...

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Inhaltsverzeichnis1. Einleitung 22. Zielsetzung 23. Einführung in die Methanol-Brennstoffzellentechnik 34. Messmethode 44.1. Theoretischer Hintergrund 44.2. Messkonfiguration 44.3. Messvorgang 45. Arbeitskoordination 55.1. Arbeitsplan 55.2. Messplan 56. Auswertung 66.1. Automatisierung mit dem Excel-Makro 66.2. Einlesen der Rohdaten 66.3. Eingabe der Messkonfiguration über eine Eingabemaske 66.4. Wahl der Datensatzlänge 76.5. Ermittlung des Einspritzpunktes 76.6. Verfahren zur Bestimmung der Diffusionskonstante und der Permeabilität 76.7. Resultatetabelle der Auswertung 107. Resultate 118. Fehleranalyse und Messschwierigkeiten 248.1. Methanol-Peak nach dem Einspritzen 248.2. Massenspektrometer-Fehlfunktionen 258.3. Keine Stationarität des Methanolsignals 269. Schlussfolgerungen 2710. Literaturverzeichnis 28AnhangA. Ausgewertete MessresultateB. Excel-Makro zur Auswertung der MessdatenC. ZIP-Disk mit sämtlichen Messdaten, Auswertungen und dem Excel-Makro
1. EinleitungIm Rahmen des Studiums Umweltnaturwissenschaften an der ETH Zürich ist eine Semesterarbeit im BereichUmwelttechnik vorgesehen. Seit längerem haben wir uns für die umweltfreundliche Brennstoffzellentechnikinteressiert, deren Forschung speziell für den Einsatz im Bereich Mobilität forangetrieben wird. Das Paul-ScherrerInstitut mit seinem Foschungsschwerpunkt Elektrochemie befasst sich mit der Entwicklung neuartigerBrennstoffzellen für Elektrofahrzeuge. Die Erzeugung von Strom in einer Brennstoffzelle basiert auf demUmkehrprozess der Elektrolyse. Die Zelle besteht aus zwei Gasdiffusionselektroden, welche durch eineprotonenleitende Membran getrennt sind. Herr Dr. Kiefer arbeitet speziell mit Membranen für Brennstoffzellen, dieMethanol als Brennstoff verwenden. In unserer Semesterarbeit wollen wir nun untersuchen, wie sich verschiedeneMembrane bei unterschiedlicher Methanolkonzentration verhalten.Bei methanolbetriebenen Brennstoffzellen stellt die elektrolytisch wirkende Membran eine kritische Komponentedar. Sie sollte eine hohe Leithfähigkeit haben, was eine gewisse Wasseraufnahme voraussetzt, aber gleichzeitig einegeringe Permeabilität für Methanol miteinbezieht. Die Leitfähigkeit der Membran hängt also sehr stark von derenWassergehalt ab, um einen geringen Widerstand und damit geringe ohmsche Verluste zu haben. Eine Membrankann durch die materialspezifische Diffusionskonstante und die daraus ableitbare Permeabilität für bestimmteStoffe (In unserem Fall Methanol) charakterisiert werden. Zu deren Bestimmung übernahmen wir die vonunsererem Betreuer angewendete Ex-Situ Messmethode mit Massenspektrometrie. Es wurden im Zeitraum vomApril bis August 1999 PSI- und Nafion-Membrane in über 100 Einzelmessungen untersucht.Für die Auswertung der daraus entstandenen grossen Datenmenge wurde von uns ein Script geschrieben. Diesesermöglicht die einfache und bedienerfreundliche Berechnung der gesuchten Grössen bei jeder Messkonfiguration,da bei manueller Auswertung sehr viele Schritte erforderlich sind – was nicht zuletzt Quelle vieler Fehler sein kann.Die Resultate unserer Messreihe sind in diesem Bericht grafisch dargestellt und dokumentiert. Unsere Arbeit unddie daraus entstehenden Erkenntnisse werden in einem weiteren Schritt von unserem Betreuer Herrn Dr. JoachimKiefer in seinen Forschungen weiterverwendet werden.Wir danken an dieser Stelle Herrn Dr. Kiefer für die gelungene Zusammenarbeit an diesem Semesterprojekt undwünschen ihm weiterhin viel Erfolg.2. ZielsetzungZiel dieser Semesterarbeit ist es, die Methanolpermeabilität von PSI- Membranen unterschiedlicher Dicke undZusammensetzung als Funktion der Methanolkonzentration zu untersuchen. Diese Daten sollen dann mitkommerziell erhältlichen Nafion-Membranen verglichen werden, die ebenfalls getestet werden und als Referenzdienen sollen. Als Methanolkonzentration wird der Bereich von 1-4M angestrebt, da dies typische Konzentrationenfür den Betrieb von DMFC sind.Im weiteren sollen die bei den Messungen gewonnenen Erfahrungen beschrieben und auch möglicheSchwierigkeiten dokumentiert werden. Die Auswertung der gemessenen Daten nimmt einen grösseren Teil dieserSemesterarbeit in Anspruch, da die Berechnung der Diffusionskonstanten und Permeabilitäten bei jeder Messungdurchgeführt werden muss. Dazu gilt es, ein automatisiertes Auswertungsprogramm zu schreiben, das demBenutzer die komplizierten Berechnungsschritte abnimmt. Dies nicht zuletzt im Hinblick, dass solchePermeabilitätsmessungen am Membranen auch in Zukunft von anderen Personen am PSI aber in ähnlicherMesskonfiguration durchgeführt werden.2
Seite 1: Messungen an PSI- und Nafion-Membra
Seite 5 und 6: 4. Messmethode4.1 Theoretischer Hin
Seite 7 und 8: 6. Auswertung6.1 Automatisierung mi
Seite 9 und 10: Nafion 115, Versuch h), 1:1 - Satur
Seite 11 und 12: Nafion 115, Versuch h), 1:1 - Time-
Seite 13 und 14: Intensitätsplot, PSI-100, 4M MeOH
Seite 15 und 16: Intensitätsplott, PSI-50, 64.8% Pr
Seite 17 und 18: PSI-100: Propfgrad 52.1%Diffusionsk
Seite 19 und 20: PSI-100: Propfgrad 52.1%Permeabilt
Seite 21 und 22: Nafion 117: Konzentration MeOH vs.D
Seite 23 und 24: Die nächsten 2 Graphiken sollen ei
Seite 25 und 26: 8. Fehleranalyse und Messschwierigk
Seite 27 und 28: 8.3 Keine Stationarität des Methan
Seite 29 und 30: 10. LiteraturverzeichnisJoachim Kie
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Seite 33 und 34: Anhang BExcel-Makro zur Auswertung
Seite 35 und 36: End SubSelection.Interior.ColorInde
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