Konstruktion und strömungstechnische Simulation von Bipolarplatten für einen Brennstoffzellenstack

Abstract

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die Bipolarplatten eines PEMFC Stacks neu ausgelegt sowie deren Strömungseigenschaften simuliert und dann miteinander verglichen. Die neu ausgelegten Bipolarplatten sollten bestimmte Anforderungen (wie z.B. geringer Druckabfall) erfüllen und eine möglichst gleichmäßige Durchströmung besitzen. Insgesamt wurden fünf Bipolarplatten ausgelegt und anhand einer CAD-Software konstruiert. Mithilfe einer CFD-Software wurden anschließend die Strömungsverhältnisse aller fünf Varianten mit verschiedenen Randbedingungen durchgeführt (Einphasenströmung, ideales Gasgemisch). Zusammenfassend haben die beiden Serpentinen-Bipolarplatten höhere Druckabfälle als die drei Parallel-Bipolarplatten. Der Druckabfall an den Serpentinen-Bipolarplatten erfüllt nicht die Anforderungen. Deswegen wurden im Folgenden nur die Parallel-Bipolarplatten weiter untersucht. Der Druckabfall steigt an, wenn die Eingangsgeschwindigkeit zunimmt; je größer die Betriebstemperatur (Wandtemperatur) ist, desto größer ist der Druckabfall. Zusätzlich können die Luftfeuchtigkeit und das Sauerstoff- und Stickstoffverhältnis den Druckabfall beeinflussen. Unter Berücksichtigung einer vereinfachten chemischen Reaktion von Sauerstoff zu Wasserdampf wurde herausgefunden, dass die Eingangsgeschwindigkeit ebenfalls den Reaktionsbereich beeinflussen kann. Je höher die Geschwindigkeit ist, desto größer ist der Reaktionsbereich. Gleichzeitig ist der Druckabfall kleiner als der Druckabfall ohne Berücksichtigung der chemischen Reaktion. Die Reaktionsrate ist am Eingang am höchsten und reduziert sich entlang des Strömungskanals. Die Simulation unter Berücksichtigung der chemischen Reaktion ist einphasig. Für weiterführende Untersuchungen kann das Abwasser als Flüssigkeit betrachtet werden. Die Reaktion kann bei weiterführenden Simulationen als elektrochemische Reaktion implementiert werden, um die Potentialabhängigkeit der Reaktionsrate berücksichtigen zu können.