Thermodynamische Analyse des Einflusses von geringen Mengen an flüssigem Wasser auf den Membranbefeuchter in mobilen PEM-Brennstoffzellenanwendungen

Das präzise Wassermanagement innerhalb der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) stellt eine große Herausforderung dar. Dieses ist notwendig, um sowohl die benötigte hohe Leistungsfähigkeit als auch die geforderte lange Lebensdauer der PEMFC in schweren Nutzfahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb zu gewährleisten. Eine zentrale Rolle stellt dabei die definierte Befeuchtung der Kathodenzuluft dar. Die Befeuchtung erfolgt zumeist über einen Membranbefeuchter als Teil der Balance-of-Plant (BoP). Der Membranbefeuchter nutzt das Produktwasser des Kathodenabgases, um die Kathodenzuluft zu efeuchten. Die Regelung der relativen Feuchte (RH) wird über einen Bypass um den Befeuchter umgesetzt. Der Membranbefeuchter ist eine passive Komponente, sodass sich die Größe des Stofftransports über die Randbedingungen der Befeuchtereingangsströme ergibt. Der Befeuchtereingang der feuchten Seite ist von dem Kathodenabgas abhängig. Literaturdaten zeigen, dass das Kathodenabgas lastpunktabhängig sowohl rein gasförmig als auch mit Anteilen flüssigen Kondensats vorliegt. Während der Gas-zu-Gas-Betrieb des Befeuchters umfassend in der Literatur erforscht ist, gibt es bislang nur von der Autorin selbst experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von geringen Mengen an Flüssigwasser im Befeuchter. Diese Arbeit schließt die Forschungslücke durch experimentelle Untersuchungen zum Betriebsverhalten des Membranbefeuchters unter Flüssigwassereinfluss. Hierzu wird ein neuartiger Prüfstand innerhalb der Arbeit entwickelt. Zudem werden die Messreihen hinsichtlich ihrer Messwiederholbarkeit sowie potenzieller Messfehler untersucht. Der Prüfaufbau kann realitätsnah PEMFC-Abgasströme mit definierten Mengen an Kondensat nachstellen. Innerhalb der Messreihen wird aufgrund höherer Reproduzierbarkeit reiner Stickstoff als Trägergas verwendet. Als Prüfzelle wird ein Einkanal verwendet, welcher einen Strömungskanal aus einem planaren Membranbefeuchter ähnelt. Das Stofftransportverhalten einer Nafion™117 embran wird unter reinem Gas-zu-Gas-Betrieb als auch unter dem Einfluss von variablen Flüssigwasserzugaben analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits kleinste Mengen an Flüssigwasser im Fluidstrom die Wassertransferrate (WTR) des Befeuchters erheblich steigern. Dabei repräsentiert die WTR die Wassermenge, die über die Membran von der feuchten zur trockenen Seite transportiert wird. Die gemessenen Steigerungsraten durch Flüssigwasserzugabe bezogen auf den reinen Gas-zu-Gas-Betrieb eines Befeuchters liegen zwischen 80 und 160 %. Die Steigerungsraten sind abhängig von der Temperatur, dem Druckniveau und dem Stickstoffmassenstrom der Zugasströme des Befeuchters. Die Erhöhung der WTR infolge der Zugabe von Flüssigwasser kann theoretisch über das Schröders Paradoxon [1] hergeleitet werden. Dieses beschreibt die Abhängigkeit der Stofftransportcharakteristika einer Perfluorsulfonsäure (PFSA)-Membran zu dem Aggregatzustand des kontaktierenden Wassers. Bei Kontakt mit Flüssigwasser strukturiert sich die Membranoberfläche zu einer hydrophilen Oberflächenbeschaffenheit um. Dies verbessert die Wasseraufnahme- und Wasserleitfähigkeit der PFSA-Membran. Kontaktiert gasförmiges Wasser die Membran, setzt eine entgegengesetzte Umstrukturierung der Membranoberfläche ein. Diese resultiert in der Ausbildung einer hydrophoben Membranoberfläche und in einer geminderten asseraufnahmekapazität. Die Wasserleitfähigkeit wird infolgedessen reduziert. Flüssigwasser tritt in aktuellen PEMFCS vorrangig bei hohen Lastanforderungen im Befeuchter auf. Die Soll-RH am Kathodeneingang ist bei hohen Lastanforderungen vergleichsweise gering. Die Überschreitung der Soll-RH-Anforderung kann irreversible Schädigungsmechanismen innerhalb der PEMFC initiieren. Somit ist der Effekt, dass Flüssigwasser den Stofftransport im Befeuchter steigert im aktuellen PEMFCS-Kontext als negativer Einflussfaktor zu bewerten. Auf Komponentenebene hingegen kann dieser Effekt gezielt eingesetzt werden, um die Leistungsfähigkeit des Befeuchters zu erhöhen. Eine zeitliche Entkopplung der Wasserproduktion in der PEMFC und der benötigten Wasserbereitstellung durch den Befeuchter kann durch ein Wassertanksystem umgesetzt werden. Darauf aufbauend wird in dieser Arbeit untersucht, inwieweit die Stofftransportleistung durch Flüssigwasserzugabe weiter gesteigert werden kann. Die eingesetzten Flüssigwassermengen übersteigen die Kondensatmengen, welche entsprechend eines PEMFCS nach Stand der Wissenschaft am Befeuchtereingang vorkommen. Als Ergebnis bewirken bereits Wasserzugabemengen unter 20 g/h eine maximale Wassertransferratensteigerung von 100 bis 210 % im Vergleich zum reinen Gas-zu-Gas-Betrieb. Der Befeuchter weist ein gleichartiges Trendverhalten der WTR unter Variation der thermodynamischen Randbedingungen mit und ohne Flüssigwasser vor. Im Trendverhalten der Steigerungsraten der WTR zeigen sich Unterschiede bei der Variation des Druckniveaus und des Stickstoffmassenstroms zwischen dem Betrieb des Befeuchters mit und ohne Flüssigwasser. Aus den experimentellen Untersuchungen kann abgeleitet werden, dass die Befeuchterkomponente im aktuellen PEMFCS unter gezielter Nutzung von Flüssigwasser um nahezu zwei Drittel kleiner ausgelegt werden kann, unter Beibehaltung der gleichen Stofftransportleistungsfähigkeit. Auf Basis dieser Ergebnisse werden zwei innovative PEMFCS-Konfigurationen entwickelt und diskutiert. Diese setzen den leistungssteigernden Effekt durch Flüssigwasserzugabe in die Befeuchterkomponente gezielt ein, um die Baugröße des Befeuchters zu minimieren und das gesamte PEMFCS zu optimieren.