Physics E19 Interfaces and Energy Conversion Experimentelle Untersuchung des Wasser- und Wärmeaustrages an der DMFC-Kathode C. Kirchhoff 1, C. Cremers 1, U. Stimming 1,2, M. Rzepka1 1ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching 2Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Frank-Str. 1, 85748 Garching DPG Frühjahrstagung 2006, Arbeitskreis Energie, München, 20. März 2006

Inhalt Motivation und Arbeitsziel Grundlagen Messkonzept Physics E19 Motivation und Arbeitsziel Grundlagen Messkonzept Ergebnisse und Diskussion Ausblick

1. Motivation und Zielsetzung Physics E19 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

2.1. Grundlagen: Die DMFC Physics E19 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

2.2. Grundlagen: Wärmequellen Physics E19 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:

2.2. Grundlagen: Wärmequellen Physics E19 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)

2.3. Grundlagen: Wärmesenken Physics E19 a) Medienzufuhr Anode Die vorgewärmte Methanollösung wird auf Zelltemperatur erwärmt Kathode Die zugeführte Luft wird von Umgebungstemperatur

2.3. Grundlagen: Wärmesenken Physics E19 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.

2.4. Grundlagen: Wasserhaushalt Physics E19 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

2.4. Grundlagen: Zielsetzung Physics E19 Experimentell zu bestimmende Größen: Gesamtwasseraustrag dampfförmiger Wasseraustrag parasitäre Methanoloxidation

3. Messkonzept Experimenteller Aufbau: Physics E19 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

3. Messkonzept Messung der Wärmeströme im Betrieb Physics E19 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 separat Differenz von Verdampfungs- gemessen wärmeverlust und parasitärem Wärmeaufkommen

3. Messkonzept b) N2 – Halbzellenmessung im galvanostatischen Betrieb: Physics E19 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:

3. Messkonzept Physics E19 in Abwesenheit von Sauerstoff kann keine parasitäre Methanoloxidation stattfinden: direkt gemessen N2 – Halbzellenmessung minimiert ergibt den Wärmeverlust durch und dampfförmigen Wasseraustrag separat gemessen aus der zugehörigen Vollzellenmessung lässt sich damit der Wärmegewinn aus der parasitären Methanoloxidation bestimmen.

4. Ergebnisse und Diskussion Physics E19

4. Ergebnisse und Diskussion Physics E19 Es wurden Messreihen bei 400 mV aufgenommen: mit 12,25 cm² MEA Methanollösung 1-molar unter Variation von Betriebstemperatur und Kathodenluftstrom

4. Ergebnisse und Diskussion Physics E19

4. Ergebnisse und Diskussion Physics E19

4. Ergebnisse und Diskussion Physics E19

Ausblick Untersuchung von MEAs mit dickerer Membran (>Na105) Physics E19 Untersuchung von MEAs mit dickerer Membran (>Na105) evtl. Untersuchung kommerzieller MEAs Untersuchung verschiedener Kathodenbackings Nutzung von Kapillarkräften zum Wasseraustrag