Simulationsbasierte Charakterisierung und Optimierung einer Gasverteilerstruktur für einen Brennstoffzellenstack im Leistungsbereich oberhalb von 500 kW

Kurzfassung

Brennstoffzellen, insbesondere Niedertemperatur-Brennstoffzellen, ermöglichen eine effiziente und umweltfreundliche Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Sie sind eine vielversprechende Technologie für viele Anwendungen, insbesondere für Schwerlastanwendungen, bei denen herkömmliche Batterien nicht ausreichen oder zu groß und zu schwer wären. Die mit Wasserstoff betriebene Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle ist eine solche Brennstoffzelle. Ein Forschungsgegenstand ist die Realisierung von Stackkonzepten für große Zellflächen, wobei eine Herausforderung darin besteht, homogene Betriebsbedingungen z.B. durch eine optimale Eduktgasversorgung mit Hilfe von Bipolarplatten zu gewährleisten. Mit Hilfe einer simulationsgestützten Designbewertung wird in dieser Arbeit der Entwurf eines neuen großflächigen Bipolarplattendesigns hinsichtlich seiner Strömungseigenschaften bewertet. Die Charakterisierung der Strömung innerhalb der Bipolarplatten bietet die Möglichkeit, ein grundlegendes Verständnis für die Sensitivität verschiedener Betriebsparameter und deren Einfluss auf das Strömungsverhalten der Reaktanden zu erlangen. Dazu wird eine einphasige Luftströmung innerhalb der Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle entwickelt und mit Hilfe einer Rechengitterstudie auf numerische Genauigkeit überprüft. Eine Parameterstudie wird für verschiedene potentielle Betriebspunkte simuliert und der Druckverlust in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Stromdichte ermittelt. Neben der Designbewertung helfen die Simulationsergebnisse auch bei der Dimensionierung des Brennstoffzellenstacks. Dabei können die Anzahl der Zellen, die Größe der aktiven Fläche und der entstehende Druckverlust berücksichtigt werden, da z.B. die erforderliche Kompressorleistung mitberücksichtigt werden kann.