Analyse zur zellinternen Befeuchtung eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels

Es wird das Prinzip der Zellinternen Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Mit diesem Konzept zur Gasbefeuchtung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-BZ) kann die Systemkomplexität eines Brennstoffzellenaggregates verringert und die Leistungsfähigkeit gesteigert werden. Die Zellinterne Befeuchtung besteht aus wasserdurchlässigen Flächen, welche unmittelbar an die aktive Fläche der PEM-BZ angrenzen. Für eine qualitative Untersuchung der Zellinternen Befeuchtung wird ein analytisches Berechnungsmodell erarbeitet, welches den Wassertransport durch die Befeuchtungsflächen beschreibt. Aufbauend auf einer theoretischen Herleitung wird experimentell bewiesen, dass eine mit zwei Stoffströmen gespeiste Stoffübertragungsapparatur eine identisch funktionale Betriebscharakteristik analog zu einem Wärmeübertrager aufzeigt. Die Betriebscharakteristik des Stoffübertragers wird unter Verwendung von drei dimensionslosen Kennzahlen ausgedrückt, die dimensionslose Konzentrationsänderung, die dimensionslose Übertragungsfähigkeit und das dimensionslose Verhältnis der Schleppmittel-Volumenströme. Die Zellinterne Befeuchtung wird, anhand gemessener Polarisationskurven, quantitativ analysiert. Es wird gezeigt, dass durch die Zellinterne Befeuchtung eine deutliche Leistungssteigerung von PEM-BZ-Aggregaten erreicht werden kann.