Experimentelle Untersuchung des Betriebsverhaltens und Optimierung der Betriebsbedingungen eines PEM-Brennstoffzellenstacks

Abstract

In der vorliegenden Masterarbeit wird der Einfluss des Montageprozesses, der Lageorientierung und der Strömungsführung auf den im EU-Projekt Fuel Cell Cargo Pedelecs entwickelten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstack experimentell untersucht, um eine Optimierung der Betriebsweise zu ermöglichen. Die Untersuchung der montagebedingten Anpressdrucke auf die Gasdiffusionsschichten erfolgte mit drucksensitiven Folien. Aus der Betrachtung der Homogenität der Anpressdrucke bei verschiedenen Verschraubungsreihenfolgen der Gewindebolzen konnte eine Verschraubungsreihenfolge herausgearbeitet werden, bei welcher eine homogenere Verteilung aufgetreten ist. Zur Analyse des Betriebsverhaltens bei unterschiedlichen Montagedrehmomenten, Lageorientierungen und Strömungsführungen wurde der Brennstoffzellenstack in einem Teststand betrieben. Aus dem Betrieb mit unterschiedlichen Montagedrehmomenten geht hervor, dass zwischen 1,6 Nm und 4,0 Nm die höchsten Leistungen auftreten und ein geringer Einfluss auf das Betriebsverhalten vorliegt. Bei den Lageorientierungen ”stehend“, ”liegend“ und ”Seitenlage“ treten bei den untersuchten Strömungsführungen in der jeweiligen Lageorientierung nur geringfügige Unterschiede hinsichtlich des Betriebsverhaltens auf. Der Betrieb in der Lageorientierung ”stehend“ brachte jeweils die höchsten und der Betrieb in der ”Seitenlage“ die niedrigsten Messwerte hervor. Die Versuche der Lageorientierung ”stehend“ mit einer Zuleitung der Gase von unten führt zu einem Ausfall von Zellen. Neben dem Betriebsverhalten wurde mit Hilfe einer segmentierten Messplatine die ortsaufgelöste Stromdichteverteilung während des Teststandbetriebs ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die grundlegende Form der Stromdichteverteilung unabhängig davon, ob der Brennstoffzellenstack in der Lageorientierung ”stehend“ oder ”Seitenlage“ betrieben wird, gleichbleibend ist. Bei einer Erhöhung der Stromdichte oder des Montagedrehmoments ist ein Anstieg der Stromdichten im Auslassbereich der Gase im Vergleich zu den Stromdichten im Einlassbereich festzustellen.