Strömungstechnische Simulation des Gastransports in den Manifolds eines PEM-Brennstoffzellenstacks im Hochleistungsbereich bis zu 500 kW

Abstract

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) stellen eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Antriebslösungen dar. Aufgrund ihres emissionsfreien Betriebs sowie einer hohen Effizienz und Leistungsdichte sind PEMFC besonders für den Einsatz in Schwerlastanwendungen von großem Interesse. Hierfür werden aktuell neue Stack-Konzepte im Megawattbereich entwickelt. Für eine optimale Stack-Performance muss eine gleichmäßige Versorgung aller Zellen mit den Reaktandengasen über die Manifolds sichergestellt werden, was insbesondere bei Stacks mit einer großen Anzahl an Zellen eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit wird daher die Luftströmung in den Manifolds eines neuartigen Stack-Konzepts untersucht, das auf einem modularen, großflächigen Bipolarplatten-Design basiert. Hierfür wird ein Modell entwickelt, mit dem Stacks mit einer Leistung von bis zu 500 kW (430 Zellen) mittels numerischer Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) untersucht werden. Während der Modellentwicklung werden Studien durchgeführt, um die Geometrie, die Behandlung der Kompressibilität und die Diskretisierung zu optimieren und den Rechenaufwand zu reduzieren. Anhand des optimierten Modells wird die Strömung in den Manifolds bei unterschiedlichen Stack-Konfigurationen bezüglich der entstehenden Druckverluste sowie der Homogenität der Druck- und Strömungsverteilung untersucht. Dabei zeigt die Strömungsführung in U-Konfiguration eine höhere Homogenität im Vergleich zur Z-Konfiguration. Die Ergebnisse für den 250 kW Stack weisen eine stark inhomogene Druck- und Strömungsverteilung auf, was die Notwendigkeit einer Vergrößerung der Manifold-Geometrie aufzeigt. Die systematische Untersuchung zeigt, dass die Vergrößerung der Manifold-Geometrie zu einer deutlichen Reduktion des Druckverlusts in den Manifolds führt und maßgeblich zur Homogenisierung der Druckverteilung beiträgt. Abschließend werden Mindestvergrößerungsfaktoren in Abhängigkeit der Stackgröße ermittelt, die notwendig sind, um eine homogene Druck- und Strömungsverteilung sicherzustellen. Die erforderliche Manifoldvergrößerung zeigt einen linearen Anstieg mit zunehmender Zellanzahl.