Simulationsbasierte Untersuchung des Stoff- und Wärmetransports einer Kühlmittelströmung in neuartigen, großflächigen Bipolarplatten für PEMBrennstoffzellenstacks im Leistungsbereich oberhalb von 500 kW

Abstract

Brennstoffzellen stellen eine effiziente und umweltfreundliche Alternative für Antriebssysteme dar. Durch die kurze Betankungszeit und hohe Energiedichte sind vor allem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen für den Schwerlastbereich interessant. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden daher neue Konzepte für Brennstoffzellen-Stacks im Hochleistungsbereich entwickelt, welche die Anforderungen für unterschiedliche Schwerlastanwendungen (LKW, Züge, Schiffe und Flugzeuge) erfüllen. Damit geht die massive Vergrößerung der Zellfläche der Einzelzellen einher. Nichtlineare Skalierungseffekte machen diese Hochskalierung sehr anspruchsvoll und die einzelnen Komponenten des neu entwickelten Brennstoffzellensystems müssen im Hinblick auf ihre Leistungsparameter untersucht werden. In dieser Arbeit wird die Kühlmittelverteilerstruktur in der Bipolarplatte hinsichtlich der Strömungscharakteristika wie Druckverlust und Strömungshomogenität, sowie der Wärmeübergang und die Temperaturen mittels numerischen Strömungssimulationen (engl.: Computational Fluid Dynamics, CFD) mit dem Programm COMSOL Multiphysics untersucht. Der Druckverlust der untersuchten Kühlmittelverteilerstruktur steigt nichtlinear mit höher werdendem Massenstrom. Dieser nichtlineare Zusammenhang wird durch die Einlass- und Auslassbereiche ausgelöst. Im aktiven Bereich steigt der Druckverlust linear. Die Strömunghomogenität ist bei niedrigen Massenströmen allgemein hoch, sinkt jedoch bei höhere werdendem Massenstrom. Die Homogenität im Strömungsfeld kann durch die Verlängerung des ersten Verbindungsstücks (verbindet einzelne Kanäle und erlaubt Stoffausgleich zwischen den Kanälen) des aktiven Bereichs verbessert werden. Die bei steigendem Massenstrom sinkende Strömungshomogenität verursacht eine Ungleichverteilung der Temperatur auf der Oberfläche der Bipolarplatte quer zur Strömungsrichtung, die sich jedoch bei den Kontaktflächen zur Membran-Elektroden-Einheit bei einer Zellleistung von 1000 W unter 1 K bewegen. Die maximalen Temperaturen übersteigen auf der wärmeren Kathodenseite 84 ℃ nicht. Ungleiche Reaktionsraten durch die Ungleichverteilung der Temperaturen sind zu erwarten, die durch die kleinen Temperaturdifferenzen jedoch aller Wahrscheinlichkeit nach zu vernachlässigen sind.