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Strömungssimulation und Optimierung von Gasverteilerstrukturen in Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen

Gibowsky, Lara (2021) Strömungssimulation und Optimierung von Gasverteilerstrukturen in Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen. Master's, Hochschule Flensburg.

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Abstract

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.

Item URL in elib:https://elib.dlr.de/147097/
Document Type:Thesis (Master's)
Title:Strömungssimulation und Optimierung von Gasverteilerstrukturen in Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen
Authors:
AuthorsInstitution or Email of AuthorsAuthor's ORCID iD
Gibowsky, Laralara (at) gibowsky.deUNSPECIFIED
Date:7 December 2021
Refereed publication:No
Open Access:No
Gold Open Access:No
In SCOPUS:No
In ISI Web of Science:No
Number of Pages:142
Status:Published
Keywords:Brennstoffzelle, PEM, PEMFC, Brennstoffzellenstack, Strömungsverteiler, Flowfield, Bipolarplatte, Simulation, Strömung
Institution:Hochschule Flensburg
Department:Fachbereich Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Maritime Technologien
HGF - Research field:Energy
HGF - Program:Materials and Technologies for the Energy Transition
HGF - Program Themes:Chemical Energy Carriers
DLR - Research area:Energy
DLR - Program:E SP - Energy Storage
DLR - Research theme (Project):E - Electrochemical Processes
Location: Stuttgart
Institutes and Institutions:Institute of Engineering Thermodynamics > Electrochemical Energy Technology
Institute of Engineering Thermodynamics > Computational Electrochemistry
Deposited By: Knöri, Torsten
Deposited On:14 Dec 2021 13:37
Last Modified:14 Dec 2021 13:37

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