Die elektrochemische Thermozelle auf der Basis einer PEM-Brennstoffzelle mit zwei Wasserstoffelektroden

Thermoelektrische Energiewandler ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Auf diese Weise lässt sich Niedertemperaturwärme, die in vielen technischen Prozessen als Nebenprodukt entsteht, nutzen und dadurch die Gesamteffizienz des Prozesses steigern. Grundsätzlich werden thermoelektrische Energiewandler in zwei Kategorien eingeteilt: Thermogeneratoren auf Halbleiterbasis, die vor allem bei hohen Temperaturen und großen Temperaturdifferenzen eingesetzt werden, sowie elektrochemische Thermozellen, die überwiegend bei niedrigen Temperaturen und geringe Temperaturdifferenzen Verwendung finden.

Der Aufbau einer solchen elektrochemischen Thermozelle ist dabei ähnlich zu dem einer PEM-Brennstoffzelle, jedoch werden beide Elektroden ein Wasserdampf/Wasserstoff-Gemisch zugeführt. Der aufgeprägte Temperaturgradient (zwischen der Wärmequelle und der Umgebung) führt zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, da sich das chemische Potential der Fluide in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur ändert. Daher sind in der Thermozelle der Temperaturgradient, der Gradient im elektrischen Potential sowie der Gradient im chemischen Potential als treibende Kräfte der Transportprozesse (Wärme-, Massen- und Ladungstransport) eng miteinander gekoppelt. Diese gekoppelten Transportprozesse können mit der Thermodynamik irreversibler Prozesse beschrieben und charakterisiert werden. Dabei wird angenommen, dass die in der Thermozelle auftretenden Flüsse eine Linearkombination aller treibenden Kräfte darstellen. Dieser lineare Zusammenhang wird mittels sog. phänomenologischer Koeffizienten beschrieben. Im Gegensatz zu den rein empirischen Ansätzen wie dem Fick‘schen, den Fourier‘schen oder dem Ohm‘schen Gesetz berücksichtigen die phänomenologischen Koeffizienten alle Wechselwirkungen und Überlagerungen der in der Thermozelle auftretenden Triebkräfte und Flüsse.

Am Institut für Thermodynamik werden sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen zur PEM-Thermozelle durchgeführt. Dies umfasst die Entwicklung detaillierter Modelle zur Beschreibung des Betriebsverhaltens sowie experimentelle Messungen zur Bestimmung der phänomenologischen Koeffizienten, um die Modelle zu parametrisieren und zu validieren. Darüber hinaus werden U-i-Kennlinien der Thermozelle unter Last für verschiedene Membrantypen ermittelt. Auf Grundlage der gewonnenen theoretischen und experimentellen Erkenntnisse wird abschließend ein Prototyp eines geschlossenen Thermozellensystems entwickelt.