Date post: | 05-Apr-2015 |
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ZAE BAYERN
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.
Abteilung 1: Technik für Energiesysteme und erneuerbare Energien
Experimentelle Untersuchung desWasser- und Wärmeaustrages
an der DMFC-Kathode
C. Kirchhoff 1, C. Cremers 1, U. Stimming 1,2, M. Rzepka1
1ZAE Bayern, Abteilung 1Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching
2Technische Universität München, Physik-Department E19James-Frank-Str. 1, 85748 Garching
DPG Frühjahrstagung 2006, Arbeitskreis Energie, München, 20. März 2006
Physics E19Interfaces andEnergy Conversion
ZAE BAYERN
Inhalt
1. Motivation und Arbeitsziel
2. Grundlagen
3. Messkonzept
4. Ergebnisse und Diskussion
5. Ausblick
Physics E19
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1. Motivation und Zielsetzung
• Leistungsdichte der DMFC ist stark temperaturabhängig
• Systemauslegung erfordert ein Konzept zum thermischen Management
• wesentliche Problematik: Wasseraustrag aus der Kathode
• Arbeitsziel ist die Untersuchung des thermischen Verhaltens der DMFC durch:
• Messung des Gesamtwasseraustrages
• Messung der Wärmeströme im Betrieb
Physics E19
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2.1. Grundlagen: Die DMFC
Anodenseite
Prozess: Methanoloxidation am Pt/Ru-Katalysator
CH3OH + H2O 6H+ + 6e- + CO2
Kathodenseite
Prozess: Sauerstoffreduktion am Pt-Katalysator
3/2O2 + 6H+ + 6e- 3H2O
Gesamtreaktion CH3OH + 3/2O2 CO2 + 2 H2O : 1,186 V
Physics E19
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2.2. Grundlagen: Wärmequellen
a) Verluste bei der ΔG0 Gibbs‘sche freie Enthalpie
elektrochemischen Reaktion ΔHCH3OH Reaktionsenthalpie
n Anzahl an der Redoxreaktion
Die thermische Leistung folgt direkt aus beteiligter Elektronen
der Zellspannung Uz=ΔU: F Faraday-Konstante ( F = NAe )
Wirkungsgrad:
thermische Leistung:
OHCHZelle H
UnF3
elZelleth PP )1/1(
OHCHTd H
G3
0
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2.2. Grundlagen: Wärmequellen
b) Parasitäre Methanoloxidation
• Nafion®-Membranen sind durchlässig für Methanol
• Methanol tritt zur Kathode über und wird am Pt-Katalysator oxidiert
• die Reaktionsenthalpie wird als Wärme freigesetzt (katalytische Verbrennung)
OHCHCrossoverOHCHpara HnQ 3
3 )(
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2.3. Grundlagen: Wärmesenken
a) Medienzufuhr
• Anode Die vorgewärmte Methanollösung wird
auf Zelltemperatur erwärmt
• Kathode Die zugeführte Luft wird von Umgebungstemperatur
auf Zelltemperatur erwärmt
LösungLösungpinAinA TcmQ ,,,
LuftLuftpinKinK TcmQ ,,,
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2.3. Grundlagen: Wärmesenken
b) Dampfförmiger Wasseraustrag aus der Kathode
• in der Kathode wird Wasser verdampft und mit der Kathodenabluft ausgetragen.
• der Wärmeverlust durch Verdampfung kann sehr groß sein
c) Wärmeabgabe an die Umgebung
Die gegenüber der Umgebung erhöhte Betriebstemperatur führt zu Wärmeverlusten.
OHVerdDampfKVerd hmQ2 , ,
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2.4. Grundlagen: Wasserhaushalt
Vier Mechanismen des Wasseraufkommens an der Kathode:
• elektrochemische Erzeugung
• elektroosmotischer Drag
• Diffusion
• parasitäre Methanoloxidation
Wasseraustrag aus der Kathode:
• mechanischer Tröpfchenaustrag mit der Luftströmung
• mechanischer Austrag durch Schwerkraft oder Kapillarkräfte
• dampfförmiger Austrag mit der Luftströmung
im ecOH ,2
),(,2TiDFim DragOH
KathodeOHOH cm ,22
CrossoverOHCHparaOH nm )(, 32
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2.4. Grundlagen: Zielsetzung
Experimentell zu bestimmende Größen:
• Gesamtwasseraustrag
• dampfförmiger Wasseraustrag
• parasitäre Methanoloxidation
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3. Messkonzept
Experimenteller Aufbau:
• Betrieb der DMFC-Testzelle in einer stark wärmeisolierten Box
• Regelung der Anoden- und Kathodentemperatur mit Heizpatronen
• Messung der Heizleistung
• Messung der Massenströme zugeführter Medien
• Messung der Temperaturen zu- und abgeführter Medien
• Messung des Gesamtwasseraustrags aus der Kathode in einer Kühlfalle
• Messung von Zellspannung und Strom
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3. Messkonzept
Messung der Wärmeströme im Betrieb
Die Messungen erfolgen bei isothermem Betrieb, die Massenströme und Temperaturen der Medienversorgung sind konstant gehalten.
a) Vollzellenmessung im potentiostatischen Betrieb:
direkt gemessen Vollzellenmessung ergibt minimiert und separatDifferenz von Verdampfungs- gemessen
wärmeverlust und parasitärem
Wärmeaufkommen
UmgebungparaVerdthinKainAnHeiz QQQPQQP ,,
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3. Messkonzept
b) N2 – Halbzellenmessung im galvanostatischen Betrieb:
• die Betriebsparameter werden wie bei der zugehörigen Vollzellenmessung eingestellt
• Betriebstemperatur
• Gaszufuhr Kathode
• elektrischer Strom
• es gilt:
• die Halbzellenreaktion lautet:
• der Wärmeeintrag über Stromfluss und Halbzellenreaktion lässt sich berechnen:
LuftpNp cc ,, 2
2223 HCOOHOHCH
nF
ITHUIQ rNec )(
2,
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3. Messkonzept
• in Abwesenheit von Sauerstoff kann keine parasitäre Methanoloxidation stattfinden:
direkt gemessen N2 – Halbzellenmessung minimiertergibt den Wärmeverlust durch unddampfförmigen Wasseraustrag separat
gemessen
• aus der zugehörigen Vollzellenmessung lässt sich damit der Wärmegewinn aus der parasitären Methanoloxidation bestimmen.
0paraQ
UmgebungVerdNecinKainAnHeiz QQQQQP 2,,,
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4. Ergebnisse und Diskussion
Wärmeströme im N2-Halbzellen-Betrieb: 80°C , 179 mA/cm²12,25 cm² , 1M-Methanollösung , 500 sccm/min N2
Anode In-3,07
Kathode In-0,03
Elektrochemie0,35
Verdunstung H2O-9,04
Heizung16,84
Umgebung-5,04
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Wat
t
Wärmeströme und elektrische Leistung im Vollzellen-Betrieb: 80°C , 400 mV , 179 mA/cm²12,25 cm² , 1M-Methanollösung , 500 sccm/min synth. Luft
Anode In-0,47
Kathode In-0,46
therm. Leistung1,87
Verdunstung H2O-9,04
Heizung9,50
Umgebung-5,18
MeOH parasitär3,77 elektrische Leistung
0,88
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Wa
tt
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4. Ergebnisse und Diskussion
Es wurden Messreihen bei 400 mV aufgenommen:
• mit 12,25 cm² MEA
• Methanollösung 1-molar
• unter Variation von Betriebstemperatur und Kathodenluftstrom
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4. Ergebnisse und Diskussion
Wärmeaustrag durch Verdunstung, 400 mV, 12,25 cm²,1-molare Methanollösung
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 100 200 300 400 500 600
Luftvolumenstrom Kathode [sccm/min]
Wär
mes
trom
[W]
80°C
70°C
60°C
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4. Ergebnisse und Diskussion
Wärmeaufkommen durch parasitäre Methanoloxidation,400 mV , 12,25 cm² , 1-molare Methanollösung
0
1
2
3
4
5
0 100 200 300 400 500 600
Luftvolumenstrom Kathode [sccm/min]
Wär
mes
trom
[W]
80°C
70°C
60°C
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4. Ergebnisse und Diskussion
Wärmebilanz im idealisierten System,400 mV, 12,25 cm²,
1-molare Methanollösung
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 200 400 600
Luftvolumenstrom Kathode [sccm/min]
Wär
mes
trom
[W]
80°C
70°C
60°C
Elektrische Leistung, 400 mV, 12,25 cm²,1-molare Methanollösung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 200 400 600
Luftvolumenstrom Kathode [sccm/min]
elek
tris
che
Lei
stu
ng
[W]
80°C
70°C
60°C
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Ausblick
• Untersuchung von MEAs mit dickerer Membran (>Na105)
• evtl. Untersuchung kommerzieller MEAs
• Untersuchung verschiedener Kathodenbackings
• Nutzung von Kapillarkräften zum Wasseraustrag
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