Mikrostrukturierte Gasverteilerstrukturen für den passiven Wasseraustrag aus PEM Brennstoffzellen

Abstract:
In dieser Arbeit wird eine neue mikrostrukturierte Gasverteilerstruktur für das passive Wassermanagment in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) vorgestellt. Die Struktur ist in der Lage allein aufgrund von Kapillarkräften überschüssiges Wasser von der Kathode zu entfernen. Bei niedrigen Temperaturen (20Grad C bis 65Grad C) fällt bis zu 95 % des in Brennstoffzellen entstehenden Wassers flüssig an. In konventionellen Gasverteilerstrukturen kann dieses Wasser Kanäle blockieren und eine ausreichende Sauerstoffzufuhr unterbinden. Gewöhnlich wird das Wasser deshalb durch Spülen mit hohen Luftflußraten entfernt. Dies erfordert zusätzliche Systemkomplexität und eine hohe Pumpleistung. Im Gegensatz dazu ermöglicht das vorgestellte Konzept einen vollkommen passiven Wasseraustrag. Kanäle mit einem konischen Profil bewegen die Flüssigkeit als Tropfen senkrecht zum Luftstrom, weg von der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) wodurch die Reaktionsfläche frei bleibt. Das Konzept sichert die Luftzufuhr selbst bei starker Wasserentstehung. Der Wasseraustrag wurde in einer Brennstoffzelle erfolgreich erprobt. Im Vergleich mit konventionell ausgeführten Kanälen zeigte sich, daß das neue Kanaldesign die Leistung bei 95% vom Ausgangswert stabilisierte. Im Vergleich hierzu verstopften die konventionellen Kanäle sukzessive und führen zu einer Leistungsminderung auf lediglich 60%.