Konzeption, Konstruktion und Simulation eines Gasströmungsfeldes für PEMFC

Kurzfassung

Die Lebensdaueranforderungen im automobilen Bereich sind eine Herausforderung für die Kommerzialisierung der Brennstoffzelle in der mobilen Anwendung. Eine wichtige Komponente innerhalb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist die Bipolarplatte. Diese hat unter anderem die Aufgabe die Luft und den Wasserstoff über die aktive Fläche zu führen und dabei eine möglichst homogene Verteilung der Medien zu erreichen. Denn eine inhomogene Verteilung der Gase führt zu einer ungleichen chemischen Reaktion und damit zu thermischen und mechanischen Belastungen und im schlimmsten Fall zur Austrocknung und Flutung einzelner Stellen. Diese Vorgänge können zu Degradation führen und damit die Lebensdauer der Zelle reduzieren. Daher liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der homogenen Verteilung der Gase. Diese wird in kommerziellen Polymerelektrolytbrennstoffzellen durch ein sogenanntes Verteilerfeld erreicht, welches die Fluide von den Hauptkanälen (oder engl. Ports) über die gesamte Breite der Zelle auf die aktive Fläche verteilt. In der vorliegenden Masterarbeit werden metallische Bipolarplatten betrachtet, bei welchen eine Kanalstruktur durch einen Prägeprozess erzeugt wird. Die Kanäle führen dabei bspw. die Luft und die auf der Rückseite entstehenden Stege das Kühlmittel. Des Weiteren wird exemplarisch die Verteilung der Luft betrachtet, da die Stromdichte im Betrieb der Zelle zuerst durch die Massentransportverluste der Kathode limitiert wird. In der Arbeit werden zuerst die Anforderungen der Bipolarplatte analysiert, wobei hier der Fokus auf dem Einfluss des Strömungsfeldes liegt. Die homogene Verteilung der Gase ist die Hauptaufgabe des Verteilerfelds, um dieses zu konzeptionieren und zu konstruieren müssen jedoch zuerst einige Randbedingungen definiert werden. So wird in einem ersten Schritt die Kanalstruktur in der aktiven Fläche beschrieben. Es wird auf die Anordnung der Kanäle, die benötigte aktive Fläche und die Kanaldimensionierung eingegangen. Diese werden anhand von Untersuchungen der Literatur, sowie Druckverlustbetrachtungen hergeleitet. Mit Hilfe eines MATLAB-Modells wird anschließend die benötigte Hauptkanalfläche bestimmt. Bei der Auslegung des Verteilerfeldes werden zuerst die geometrischen Einflussgrößen herausgearbeitet. Mit Ein-Kanal-Simulationen wird dann ein Modell erstellt, mit welchem der Druckverlust, unter Variation der geometrischen Einflussgrößen, bewertet werden kann. Schließlich kann aus den Randbedingungen ein erstes Verteilerfeld Konzept im CAD-Tool konstruiert werden. Zur Simulation wird dieses automatisch vernetzt. Wobei in einer Netzstudie der Einfluss der Vernetzung bewertet wird. Die Simulationen zeigen Schwachstellen und Optimierungspotentiale und können auch anhand von Kenngrößen bewertet werden. Die Massenstromverteilung fällt mit einem idealen Verteilerfeld, ohne Drosselung oder Bevorzugung einzelner Kanäle, vom kürzesten Verteilerkanal zum längsten Verteilerkanal im Einlass linear über die Breite der Zelle ab. Um diese zu erreichen sollte an den äußeren Verteilerkanälen ein Überstand des ,,Anfangskanals" (Sammelkanal direkt am Hauptkanal, der alle Verteilerkanäle verbindet) vorgesehen werden. Zudem ist eine möglichst starke Verrundung an der Umlenkung in Richtung des aktiven Feldes vorzusehen, da ansonsten eine ungleiche Verteilung der, von einem Verteilerkanal versorgten, aktiven Kanäle verursacht wird. Außerdem kann durch Annäherung des Winkels zwischen Anfangskanal und den Verteilerkanälen zu einheitlich 90o eine homogene Verteilung erreicht werden, da ansonsten bei starken Unterschieden der Winkel einzelne Verteilerkanäle schlechter versorgt werden (Verengung des Querschnitts). Die Verbesserung des linearen Abfalls zu einer gleichmäßigen Verteilung, kann mit Hilfe der Variation der Verteilerkanalbreite im Einlass erreicht werden. Zuvor gut versorgte Kanäle werden gedrosselt, während schlecht versorgte Kanäle bevorzugt werden. Die Einführung von Übergangsdrosseln, welche die Verbindung von Hauptkanal zu Verteilerfeld darstellen, erhöht die Schwierigkeit der Verteilung. Es zeigt sich jedoch, dass mit einem Verhältnis von Übergangsdrossel zu Verteilerkanälen ein gutes Ergebnis erzielt werden kann. Während bei höheren Verhältnissen ein Überversorgung der mittleren Verteilerkanäle verursacht wird. Alles in allem zeigt sich, dass eine gerichtete Verteilstruktur gut geeignet ist, um eine homogene Massenstromverteilung zu erreichen. Durch Analyse der Strömungssimulationen können konstruktive Schwachstellen ausgemacht werden. Die automatische Netzgenerierung ist für die schnelle Bewertung von vielen verschiedenen Konstruktionen geeignet, jedoch sollte bei einer definierten Konstruktion eine manuelle Vernetzung durchgeführt werden, um das Netz besser an die langgestreckte aber flache Geometrie anzupassen. Eine Validierung der Simulationen steht aus und sollte durch aufwändige Experimente erfolgen.