Membranbefeuchtung für PEM-Brennstoffzellen

Beschreibung

Für die Optimierung der Leistung von Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzellen ist eine gute Befeuchtung der Polymermembran von großer Bedeutung. Zur Regelung des Wasserhaushaltes wird, vor allem in der Automobilbranche, die indirekte Befeuchtung mittels selektiver Membranen eingesetzt. In einem Membranbefeuchter werden der feuchte Abgasstrom aus der Brennstoffzelle und der trockene Frischluftstrom über eine semipermeable Membran in Kontakt gebracht, um den Stoffübergang von Wasser auf die trockene Seite zu ermöglichen.

Um ein besseres Verständnis für die Vorgänge und Einflussparameter innerhalb eines solchen Membranbefeuchters zu erhalten, wurde am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik ein Prüfstand aufgebaut, in welchem die Wassertransporteigenschaften von Membranen bei den in PEM-Brennstoffzellen vorherrschenden Bedingungen untersucht werden können [1, 2]. Dabei werden die Betriebsparameter Druck, Temperatur, Differenz der relativen Feuchtigkeit und Strömungsgeschwindigkeit varriert und der Wasserfluss über verschiedene Membranmaterialien hinweg gemessen.

Auf Basis der experimentellen Daten wird ein Modell zur Vorhersage des Wassertransportes in Membranbefeuchtern bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, geometrischen Parametern und Strömungsführungen entwickelt [3, 4]. Neben dem Einblick in den Einfluss der Betriebsparameter soll das Modell auch eine Optimierung der Strömungsführung in den Flussfeldern des Membranbefeuchters im Bezug auf maximalen Wasserfluss und minimalen Druckverlust ermöglichen.

[1] Cahalan, T., Rehfeldt, S., Bauer, M., Becker, M., Klein, H.: Experimental set-up for analysis of membranes used in external membrane humidification of PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 41(31), 13666-13677. 2016

[2] Wolfenstetter, F., Kreitmeir, M., Schoenfeld, L., Klein, H., Becker, M., Rehfeldt, S.: Experimental study on water transport in membrane humidifiers for polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2022

[3] Cahalan, T., Rehfeldt, S., Bauer, M., Becker, M., & Klein, H.: Analysis of membranes used in external membrane humidification of PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 42(22), 15370-15384. 2017

[4]  Wolfenstetter, F., Neumann, M., Rehfeldt, S., Bauer, M., Becker, M., Klein, H.: Modellierung des Wärme- und Stofftransports in Membranbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Membrantechnik. 2019

Projekte

Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik ist im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt FaeBS ("Funktionsauslegung und -erprobung eines innovativen Brennstoffzellen-Systems") involviert. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Prototypen für ein leistungsstarkes und innovatives Brennstoffzellensystem sowie dessen Einzelkomponenten. Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Charakterisierung von Membranen für Membranbefeuchter sowie deren Modellierung.

Veröffentlichungen

2024

  • Schönfeld, L.; Kreitmeir, M.; Wolfenstetter, F.; Neumann, M.; Klein, H.; Rehfeldt, S.: Modeling mass and heat transfer in membrane humidifiers for polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Heat and Mass Transfer 223, 2024, 125260 more…

2022

  • Wolfenstetter, F.; Kreitmeir, M.; Schoenfeld, L.; Klein, H.; Becker, M.; Rehfeldt, S.: Experimental study on water transport in membrane humidifiers for polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2022 more…

2019

  • Wolfenstetter, F.; Neumann, M.; Rehfeldt, S.; Bauer, M.; Becker, M.; Klein, H.: Modellierung des Wärme- und Stofftransports in Membranbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Membrantechnik, 2019 more…

2018

  • Wolfenstetter, F.; Cahalan, T.; Rehfeldt, S.; Bauer, M.; Becker, M.; Klein, H.: Experimentelle Untersuchung von Membranen für die Anwendung in externen Membranbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik, Membrantechnik und Mischvorgänge, 2018 more…