Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Stegbreite von metallischen Bipolarplatten auf die Performance von PEM-Brennstoffzellen

Kurzfassung

Die Leistungsdichte von PEM-Brennstoffzellen hängt maßgeblich von dem Design des Kanal-Steg-Flowfields der Bipolarplatte ab. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Stegbreite auf die Zellleistung anhand einer Testhardware für Einzelzellen mit 175 cm2 aktiver Fläche experimentell untersucht. Dabei wurden Kanal-Steg-Flowfields mit geraden, parallelen Strömungskanälen mit 0;52 mm, 0;33 mm und 0;09 mm Stegbreite getestet. Um die optimale Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Stegbreite zu bestimmen, wurden Polarisationskurven sowie der Hochfrequenzwiderstand bei den Betriebsbedingungen „Cold&Wet“ (50 ◦C, 90 % RH), „Standard“ (65 ◦C, 50 % RH) und „Hot&Dry“ (80 ◦C, 30 % RH) gemessen. Zusätzlich wurde der O2- Massentransport-widerstand durch Grenzstromdichtemessungen ermittelt und eine Sensitivitätsanalyse bezüglich Temperatur und Gasfeuchte durchgeführt. Bei hoher Stromdichte wurde festgestellt, dass eine Reduzierung der Stegbreite (bis 0;09 mm) zu einem geringeren Spannungsverlust aufgrund von Massentransport führt. Dies ist vorteilhaft für feuchte Betriebsbedingungen. Bei trockenen Betriebsbedingungen hingegen ist eine größere Stegbreite von Vorteil, da die Membran vor dem Austrocknen geschützt wird. Zudem wurde festgestellt, dass ein höherer Steganteil zu einem geringeren Kontaktwiderstand führt. Basierend auf der experimentellen Untersuchung kann ein Kanal-Steg-Flowfield mit einer Stegbreite von etwa 0;3 mm und einem Steganteil von etwa 50 % empfohlen werden, da sich dies als bester Kompromiss für alle untersuchten Betriebsbedingungen erwies. Diese Erkenntnisse dienen als Basis für die weitere Optimierung des Bipolarplattendesigns, um PEMBrennstoffzellen mit höheren Leistungsdichten zu entwickeln.