Modellierung und experimentelle Untersuchung einer Thermozelle auf Basis einer Polymer-Membran mit zwei Wasserstoffelektroden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Kabelac
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449554201

In diesem Vorhaben soll ein thermoelektrochemischer Generator, eine sog. Thermozelle, experimentell und modelltheoretisch untersucht werden. Die hier betrachtete Thermozelle ist ähnlich wie eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle aufgebaut, bei welche die Anode gekühlt und die Kathode beheizt wird. An beiden Elektroden wird befeuchteter Wasserstoff (unterschiedlicher Temperatur) zur Verfügung gestellt, der in Summe nicht verbraucht wird, sondern lediglich von der Anode zur Kathode wandert. In Voruntersuchungen konnte die prinzipielle Funktionstüchtigkeit dieser PEM-Thermozelle als thermoelektrischer Generator nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu den schon gut entwickelten thermoelektrischen Generatoren auf Halbleiterbasis eignet sich diese Thermozelle für Abwärmenutzung bei niedrigen Temperaturen (<100°C) und moderaten Temperaturdifferenzen um 50K.Bei der Modellierung dieses elektrochemischen Energiewandlers müssen stark gekoppelte Transportmechanismen insbesondere im Elektrolyt berücksichtigt werden. Das vorgesehene Modell ist ein Nichtgleichgewichts-Ansatz auf Basis der Thermodynamik irreversibler Prozesse (TiP), mit welchem auch gekoppelte Transportprozesse systematisch erfasst werden. Die für diesen Modellansatz benötigten phänomenologischen Koeffizienten sollen mit Hilfe des experimentellen Aufbaus gemessen werden, mit dem Aufbau sollen weiterhin Kennlinien der Thermozelle als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Anode und Kathode sowie als Funktion des Befeuchtungsgrades der Wasserstoffströme gemessen werden. Mit Hilfe des validierten Modells soll das Potenzial dieses Energiewandlers abgeschätzt und gegebenenfalls für nachfolgende Arbeiten ein erster Prototyp mit geschlossenem Wasserstoffkreislauf entworfen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen