Entwicklung eines strömungsoptimierten HT-PEM-Brennstoffzellenstapels mithilfe eines neuartigen hochauflösenden Strömungssensors und effizienter Simulationsverfahren
Wegen ihrer positiven Eigenschagten wie langsamer Alterung, hoher Effizienz und einfacherer Handhabung sind Hochtemperatur-Polymerelektrolyt (HT-PEM)-Brennstoffzellenstapel besonders geeignet für Endnutzeranwendungen und bereits in vielen Bereichen etabliert, beispielsweise als Notversorgung, netzferne Stromquelle oder als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage.
Das zusammenschalten mehrerer Brennstoffzellen zum Erreichen höherer Spannungen jedoch ist noch immer eine Herausforderung, da es ungleiche Strömungsverteilungen hervorruft, welche die Leistung des Gesamtstapels senken. Diese Ungleichheiten zu beseitigen ist kompliziert, da die verursachenden Strömungszustände im allgemeinen unbekannt sind und sich aufgrund der kleinen Geometrien nur schwer messen lassen. Aufbauend auf einem Vorgängerprojekt (ZBG 407) widmet sich dieses Projetk verschiedenen Aspekten von HT-PEM-Brennstoffzellenstapeln.
Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines neuartigen Strömungssensors basierend auf dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsensors, welcher eine Zeitmultiplextechnik nutzt, um mittels fluoreszierender Partikel örtlich hochauflösende wandnahe Strömungsuntersuchungen in kleinen Kanälen mit Querschnitten unter 1mm zu ermöglichen. Es werden spezielle Simulationsmethoden entwickelt, die wichtige physikalische Effekte wie Wärmetransport, elektrochemische Reaktionen und Massetransport in ein reduziertes Modell einbeziehen. Dies soll die Simulation ganzer Brennstoffzellenstapel erlauben, was als Multiphysik-Simulation für kleine und mittelständische Unternehmen bisher unmöglich ist und die A-Priori-Entwicklung von HT-PEM-Systemen sehr vereinfachen soll. Eine Validierung und Kalibrierung der Simulationen werden an den Messdaten des neuartigen Strömungssensors durchgeführt. Das Projetk wird zu effizienteren HT-PEM-Brennstoffzellensystemen führen und eine zeitsparende Vorentwicklung solcher Systeme führen. Der hochauflösende Strömungssensor für wandnahe Messungen wird ein weiters, eigenständiges Projektergebnis sein.
Bearbeiter: F. Bürkle, F. Schmieder
Zeitraum: 12/2016 – 05/2019
Partner: Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT), Duisburg
Elektrooptischer Modulator zur digitalen Amplitudenmodulation bis 30MHz © Felix Schmieder
Schematischer Aufbau eines Brennstoffzellenstapels in Z-Konfiguration mit simulierter Strömungsverteilung © ZBT GmbH
F. Schmieder, M. E. Kinaci, J. Wartmann, J. König, L. Büttner, J. Czarske, S. Burgmann, A. Heinzel “Investigation of the flow field inside the manifold of a real operated fuel cell stack using optical measurements and Computational Fluid Mechanics”, Journal of Power Sources 304C:155-163, 2016. (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.11.010)
A. E. Ramos Ruiz, C. Schober, F. Schmieder, F. Moyon, L. Feierabend, M. Dues, J. W. Czarske, L. Büttner „Hochaufgelöste Strömungsmessungen in den Mikrokanälen einer Brennstoffzelle mittels Zeitmultiplex- Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor“, 26. GALA-Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik”, S. 17.1–17.8, 4. – 6.09.2018, Rostock