Experimentelle und theoretische Untersuchungen einer thermogalvanischen Zelle auf Basis einer Polymer-Elektrolyt-Membran

Die Verwendung von Niedertemperaturabwärme, beispielsweise aus Industrieprozessen oder Rechenzentren, stellt einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und damit zur Eindämmung des globalen Klimawandels dar. Neben den bereits etablierten (Organic-) Rankine-Kreisprozessen können thermogalvanische Zellen als eine Variante thermoelektrischer Energiewandler zur Weiterverwendung dieser thermischen Energie eingesetzt werden. Ein mögliches Konzept stellt dabei eine mit Wasserstoff betriebene thermogalvanische Zelle auf Basis einer Polymer-Elektrolyt-Membran dar. Das Betriebsverhalten dieses Energiewandlers ist für die Bewertung potentieller Einsatzmöglichkeiten von besonderer Relevanz. Dieses wird im Rahmen dieser Arbeit anhand von experimentellen Untersuchungen im Leerlauf sowie unter Last charakterisiert. Entscheidend dafür ist die Kenntnis der an den Membranoberflächen vorliegenden thermodynamischen Zuständen, wobei insbesondere das chemische Potential des Wassers sowie die Temperatur von Bedeutung sind, da sie die Ruhezellspannung unmittelbar beeinflussen. Die Existenz von Gradienten in der Zelle bedingt das Ausbilden von Stoffströmen, elektrischen Strömen sowie Wärmeströmen, die einen direkten Einfluss auf lokal vorliegende thermodynamische Zustände haben. Da weder die Temperatur noch das chemische Potential des Wassers unmittelbar an den Membranoberflächen gemessen werden können, ist es von besonderer Bedeutung, die in der Zelle ablaufenden Transportprozesse und die abhängig davon resultierenden thermodynamischen Zustands- und Prozessgrößen präzise zu beschreiben. In der vorliegenden Arbeit wird dies mittels eines theoretischen Modells anhand der Methode der Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik realisiert, die auf der Betrachtung monokausaler Kraft-Fluss-Kopplungen beruht. Dadurch lässt sich die singuläre Abhängigkeit eines Gradienten auf den resultierenden Fluss analysieren, wenn andere Gradienten ausgeschlossen werden. Die vorliegenden Kraft-Fluss-Kopplungen werden durch sogenannte phänomenologische Koeffizienten berücksichtigt, die oftmals aufgrund ungenügend verfügbarer Literaturdaten mittels klassischen Transportkoeffizienten angenähert werden. Eine zentrale Untersuchung dieser Arbeit ist daher die experimentelle Bestimmung verschiedener phänomenologischer Koeffizienten in einer Polymer-Elektrolyt-Membran. Die Ergebnisse zeigen zum Teil deutliche Abweichungen zwischen den mittels klassischen Transportkoeffizienten angenäherten sowie experimentell bestimmten phänomenologischen Koeffizienten. Mögliche Begründungen für diese Abweichungen stellen die ungenaue Vorhersage der thermodynamischen Zustände in der Zelle sowie unterschiedliche Messaufbauten zur experimentellen Bestimmung der Koeffizienten dar. Des Weiteren zeigt sich anhand der Messergebnisse ein Einfluss der Gravitationskraft auf die Transportprozesse in der Zelle, den es in nachfolgenden Arbeiten zu untersuchen gilt. In dieser Arbeit wird zudem der Einfluss einzelner sowie gekoppelt vorliegender Gradienten auf das Betriebsverhalten der thermogalvanischen Zelle experimentell bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kopplung eines Gradienten in der Temperatur sowie eines Gradienten im chemischen Potential des Wassers in entgegengesetzte Wirkrichtung in Kombination mit einer hohen mittleren Membrantemperatur sowie einem hohem mittleren chemischen Potential des Wassers zu einem Leistungsmaximum der Zelle von circa 0,38 W/m2 führen. Eine Übertragbarkeit des positiven Einflusses gekoppelter Gradienten auf andere thermoelektrische Energiewandler stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur Leistungssteigerung dieser dar und kann dadurch einen positiven Beitrag zur Realisierung effizienter Abwärmenutzung leisten.