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

Es handelt sich um einen Fortsetzungsantrag für ein Vorhaben, welches die experimentelle Charakterisierung und die Modellierung einer elektrochemischen Thermozelle zum Ziel hat. Die hier betrachtete Thermozelle ist analog zu einer Polymerelektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle aufgebaut, bei welcher an beiden Elektroden befeuchteter Wasserstoff unterschiedlicher Temperatur zugeführt wird. Das Wasserstoff-Ion wandert aufgrund eines temperaturbedingten Unterschieds seines chemischen Potenzials von der Anode zur Kathode und gibt dabei eine (kleine) elektrische Leistung ab. Im Gegensatz zu den schon gut entwickelten thermoelektrischen Generatoren auf Halbleiterbasis eignet sich diese Thermozelle für die Abwärmenutzung bei niedrigen Temperaturen (<100 °C) und moderaten Temperaturdifferenzen um 50 K. Wegen der stark gekoppelten Transportmechanismen im Elektrolyt basiert das erarbeitete Modell auf einem Nichtgleichgewichts-Ansatz aus dem Bereich der Thermodynamik irreversibler Prozesse (TiP). Die für diesen Modellansatz benötigten phänomenologischen Koeffizienten wurden in der laufenden Projektphase mit Hilfe eines experimentellen Aufbaus in einem breiten Parameterfeld gemessen, so dass das zugehörige Modell die Ruhezellspannung (zum Beispiel) als Funktion eines Gradienten des chemischen Potenzials von Wasser bereits weitgehend wiedergeben vermag. Die noch bestehenden Abweichungen sind wahrscheinlich auf eine unzureichende Modelltiefe bei der Berechnung des chemischen Potenzials von Wasser im Elektrolyt zurückzuführen, so dass hier Nachbesserungsbedarf besteht. Zudem sollen weitere Messungen zum Kennfeld der elektrochemischen Thermozelle bei geschlossenem Stromkreis unter Last durchgeführt werden. Mit Hilfe des Simulationsmodells sollen Optimierungspotenziale zum Beispiel bezüglich der Gaszusammensetzung, der Membraneigenschaften und der Katalysatorenbelegung aufgezeigt werden. Mit der Bereitstellung eines Prototyps soll dieses grundlagenorientierte Projekt zum Abschluss gebracht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen