Strömungssimulation und Optimierung von Gasverteilerstrukturen in Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen

Kurzfassung

Das langfristige Ziel des Projektes "BALIS“ ist die Entwicklung eines elektrischen Antriebs für Regionalflugzeuge auf Basis von wasserstoffbetriebener Brennstoffzellentechnologie. Die Grundanforderung ist eine Leistung von 750 kW pro Stack für eine aktive Fläche von 1200 cm2 zu gewährleisten. Die wesentliche Herausforderung ist die Hochskalierung, da die übliche Systemleistung (vor allem in der Automobilindustrie) im Bereich zwischen 80 bis 120 kW liegt. Das Ziel dieser Thesis ist die Grundlagen eines Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen zu erarbeiten. Es werden verschiedene einphasige Gasströmungen für Gasverteilerstrukturen der Bipolarplatte eines PEM-Brennstoffzellenstacks simuliert und im Hinblick auf das Druck- und Geschwindigkeitsfeld bewertet. Als Ausgangspunkt wird eine bereits existierende Bipolarplatte im 73; 8 cm2-Maßstab simuliert und mit experimentell ermittelten Druckverlusten validiert. Die maximalen Abweichungen der Kathodenseite liegen für hohe Strömungsgeschwindigkeiten zwischen -13,4 bis 12; 4 %. Die simulierten Druckdifferenzen der Anodenseite befinden sich innerhalb der Standardabweichungen der experimentellen Daten. Die Simulationen dieser Bipolarplatte deuten auf eine gleichmäßige Verteilung der Fluidströmung durch die Gasverteilerstruktur hin. Der Gesamtdruckverlust beträgt 2665 Pa bei einer mittleren Einströmgeschwindigkeit von 4,7 m/s, wobei die parallelen Kanäle (100 mm Länge) einen Druckverlustanteil von 25,7 % aufweisen. Die Hochskalierung der aktiven Fläche dieser Bipolarplatte wird durch die Verlängerung der parallelen Strömungskanäle umgesetzt. Mit der Verlängerung steigt der Druckverlust linear an, wobei der Anteil der parallelen Kanäle am Gesamtdruckverlust zunimmt (89,9 % für 1600 mm Länge). Die vorgegebene Druckgrenze von 200 mbar wird voraussichtlich bei einer Länge von 1945 mm (aktive Fläche von 1113 cm2) erreicht. Daher wird zusätzlich zur Verlängerung der Bipolarplatte auch eine Verbreiterung benötigt, um die für Luftfahrtanwendungen notwendige aktive Fläche erreichen zu können.