Stromdichtemessung in PEFC-Brennstoffzellen mit Strömungsverteilern unterschiedlicher Stegbreite

Kurzfassung

In Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEFC) finden die Reaktionen an der Drei¬phasengrenze statt, die von der Gasphase, dem immobilen Elektrolyten und der Katalysator¬oberfläche gebildet wird. Die Versorgung der Reaktionszone mit den Reaktanden sowie der Abtransport der Produkte sind bei höheren Leistungsdichten von entscheidender Bedeutung. Innerhalb der Reaktionsschicht erfolgt der Stofftransport dabei nur über im mikroskopischem maßstab erfolgt, während das für Flowfield der Stofftransport im makroskopischen Maßstab entscheidend ist. Der sich zwischen der Reaktionsschicht und dem Flowfield befindlichen Gasdiffusionslage kommt die Aufgabe der Feinverteilung Reaktanden bzw. des Sammelns des Produktwassers zu. Dementsprechend hängen die Transportvorgänge in einer Brennstoffzelle stark von der Wechselwirkung zwischen Gasdiffusionslage und Flowfield ab. An der Grenzfläche zwischen Flowfield und Gasdiffusionslage existieren prinzipiell zwei unterschiedliche Bereiche – der Bereich, in dem das Material des Flowfields in Kontakt mit der Gasdiffusionslage steht (Stege), und der Bereich, in dem das Gas direkt in die Gasdiffusi¬onslage eindringen kann (Kanäle). Durch die Variation des Verhältnisses der Breite des Stegs zur Kanalbreite kann die Wechselwirkung von Flowfield und Gasdiffusionslage untersucht werden. Für die Durchführung dieser Untersuchungen wurde eine einkanalige Labyrinth-Verteilerstruktur gewählt. Einkanalige Strukturen erlauben einen stabilen Betrieb der Brenn¬stoffzellen und bieten sich daher für solche Untersuchungen an. Die Kanalbreite und –tiefe betrug für alle Flowfields 1 mm, die Stegbreiten wurden zwischen 0,5 und 2 mm variiert. Die Versuchszelle hatte eine 5 x 5 cm2 große aktive Fläche. Die verschiedenen Flowfields wurden durch Strom-Spannungs-Kennlinien charakterisiert. Zusätzlich wurden bei den Untersuchungen die Stromdichteverteilungen mittels eines segmentierten Anoden-Flowfields sowie global durch Kennlinien gemessen, während an der Kathode die Labyrinthverteiler mit unterschiedlichen Stegbreiten verwendet wurden. Die Untersuchungen wurden bei verschiedenen Kathodenflüssen und Befeuchtungsgraden durchgeführt. Im Vergleich zu früher durchgeführten Untersuchungen an meanderförmigem Flowfield zeigt sich bei der Labyrinthverteiler-Struktur, dass das Verhältnis der Breiten von Stegen und Kanälen einen deutlich kleineren Einfluss hat.