Die elektrochemische Thermozelle auf Basis einer PEM mit zwei Wasserstoffelektroden

Thermoelektrische Energiewandler bieten die Möglichkeit einer direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie aufgrund der Kopplung molekularer Transportmechanismen. Im Vergleich zu Thermogeneratoren auf Halbleiterbasis, die hauptsächlich Verwendung bei großen Temperaturdifferenzen finden, stellen elektrochemische Thermozellen auf Basis einer Polymerelektrolytmembran eine vielversprechende Möglichkeit der Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme dar. Ihr Aufbau entspricht dabei dem einer PEM-Brennstoffzelle, jedoch werden die zwei Elektroden der Thermozelle anders als bei der PEM-BZ mit einem Wasserstoff/Wasserdampfgemisch unterschiedlicher Temperaturen umströmt. Der aufgeprägte Temperaturgradient führt zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, da sich das chemische Potential der Halbzellen abhängig von der Temperatur ändert. Somit sind in einer Thermozelle der Temperaturgradient, der Gradient im chemischen Potential sowie der elektrische Potentialgradient eng gekoppelt. Diese Kopplungsvorgänge können mit Hilfe der Thermodynamik irreversibler Prozesse charakterisiert werden. Dabei wird angenommen, dass die in der Zelle auftretenden Flüsse eine Linearkombination der Gesamtheit der treibenden Kräfte darstellen. Dieser lineare Zusammenhang wir 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 Zelle auftretenden Triebkräfte und Ströme.

Am Institut für Thermodynamik werden sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen der PEM-Thermozelle durchgeführt. Neben der Entwicklung von detaillierten Modellen zur physikalischen Beschreibung der Transportmechanismen in der Thermozelle, werden am Institut Messungen zur präzisen Bestimmung, der für die belastbare Beschreibung der Kopplungsvorgänge in der Thermozelle benötigten phänomenologischen Koeffizienten durchgeführt.