Model Supported Analysis of Water Management in Alkaline Membrane Direct Methanol Fuel Cells

Weinzierl, Christine

Fuel cells reach high electric efficiencies also in low and medium sized power systems and, thus, are a promising alternative for decentralised, mobile and portable power supply. Full establishment is mainly hindered by high material cost which can be reduced by usage of non noble metals like nickel as catalyst instead of expensive platinum, as possible in alkaline fuel cells (AFCs). Direct methanol fuel cells of the alkaline type (ADMFCs) require anion exchange membranes (AEMs) as solid electrolyte since liquid alkaline solutions react with carbon dioxide forming carbonate salts and reducing cell performance. This new kind of fuel cell is not sufficiently analysed yet and it is not identified whether its low performance is caused by low ionic conductivity, slow reaction kinetics, process engineering issues like water management or any other effect. In present literature, research focusses on increasing ADMFC performance by improving catalyst or membrane material. In this doctoral thesis, water management in ADMFCs with AEM electrolyte is analysed to identify possible limitations as well as requirements for stable operation. In a first step, extreme case scenarios are modelled to analyse two challenges: Water supply to cathode and stable water level at anode. Water diffusion through membrane is identified as the key process for effective water management and is therefore quantified experimentally in a second step revealing that water supply to cathode is not limiting present performance of ADMFCs. Parameters corresponding to a detailed model of water diffusion are estimated from experimental results using a complex three dimensional model of the diffusion test cell used for experiments. The last step includes the detailed model of water and methanol transport through membrane into the model of an ADMFC in order to analyse anodic water level stabilisation by adjusting cathodic conditions. This three step analysis provides a guideline for design of new membrane material as well as for fuel cell design and reveals options for stable operation of ADMFC systems.

Brennstoffzellen (BZ) erreichen auch in kleinen oder mittelgroßen Anlagen hohe elektrische Wirkungsgrade und sind daher eine vielversprechende Alternative für die dezentrale, mobile oder portable Stromversorgung. Dennoch konnten sich BZ auf dem Markt bislang nicht durchsetzen, u.a. aufgrund hoher Materialkosten, welche sich durch den Einsatz unedler Metalle wie Nickel statt Platin als Katalysator deutlich reduzieren lassen. Dies ist in alkalischen BZ möglich. Alkalische BZ, die mit Methanol betrieben werden, (ADMFCs) benötigen eine anionenleitende Membran als Elektrolyten, da flüssige alkalische Lösungen mit CO2 reagieren wodurch Karbonate gebildet werden und die Leistung der Zelle sinkt. Diese neue Brennstoffzellenart wurde bislang unzureichend analysiert und es wurde noch nicht geklärt, wodurch die derzeit niedrige Leistung der ADMFC beschränkt wird. In der Literatur werden hauptsächlich neue Katalysatoren oder Membranen untersucht, um die Leistung der ADMFC zu verbessern. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Analyse des Wassermanagements in ADMFCs mit einem Membranelektrolyten, um mögliche Grenzen sowie die Anforderungen an einen stabilen Betrieb zu identifizieren. Dafür werden zunächst mehrere Extremfälle modelliert um zwei Herausforderungen zu untersuchen: die Wasserversorgung der Kathode und ein stabiler Wasserhaushalt an der Anode. Als Kernprozess für ein erfolgreiches Wassermanagement wird die Wasserdiffusion durch die Membran experimentell bestimmt. Die Ergebnisse lassen auf eine ausreichende Wasserversorgung der Kathode für die derzeitige Leistung von ADMFCs schlißen. Mit Hilfe eines komplexen 3D-Modells der Messzelle und Ablgeich mit den experimentellen Ergebnissen werden Parameter für eine detaillierte Modellierung der Wasserdiffusion abgeschätzt. Schließlich wird das detaillierte Diffusionsmodell in ein ADMFC-Modell integriert, um die Stabilisierung des Wasserhaushaltes an der Anode durch Justierung der Zuflussbedingungen an der Kathode zu untersuchen. Diese mehrschrittige Analyse gibt Aufschluss über die Anforderungen an neue Membranmaterialien sowie an das Brennstoffzellendesign und zeigt Optionen für den stabilen Betrieb von ADMFC-Systemen auf.

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Weinzierl, Christine: Model Supported Analysis of Water Management in Alkaline Membrane Direct Methanol Fuel Cells. 2017.

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