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Optimierung von Brennstoffzellen-Bipolarplatten für die automobile Anwendung

Mohr, Philipp

In dieser Arbeit wird das Potential der Bipolarplatten von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)- Brennstoffzellen zur Steigerung der Leistung und Lebensdauer untersucht. Für die medienführenden Bereiche der Bipolarplatte werden Designrichtlinien entwickelt, die die Auslegung dieser Bereiche auf hohe Stromdichten und homogene Medienverteilung vereinfachen. Im zweiten Abschnitt wird eine Validierungsmethode für automobile Brennstoffzellen mittels kleinen Laborzellen entwickelt, um die Kosten für die Validierung der Bipolarplattendesigns zu reduzieren. Abschließend wird mit den entwickelten Designrichtlinen eine automobile Brennstoffzellenbipolarplatte neu ausgelegt und simulativ und experimentell validiert. Für die Kanalauslegung im aktiven Bereich wird ein empirisches Rechenmodell entwickelt, das die Wechselwirkungen der mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage und der Kanalgeometrie bestimmt. Für die Quantifizierung der Ergebnisse des Modells auf die Spannungsverluste der Brennstoffzelle wird ein neues Messverfahren zur Bestimmung des Kontaktwiderstands zwischen mikroporöser Schicht und Katalysatorschicht vorgestellt. Damit ist die schnelle Bewertung verschiedener Kombinationen aus Kanalgeometrien und Gasdiffusionslagen möglich, um die bestmögliche Kombination für hohe Leistungsdichten zu finden. Als Zielvorgabe des Kontaktdrucks zwischen mikroporöser Schicht und Katalysatorschicht wird ein Minimalwert von über 0,19MPa empfohlen. Der Einfluss der Stegbreite im aktiven Bereich wird mit Hilfe von Simulationen bestimmt mit dem Ergebnis, dass vor allem bei hohen Stromdichten die Diffusion des Sauerstoffs durch schmale Stege begünstigt werden muss. Für die Betriebsstabilität der Brennstoffzelle durch die Gasgeschwindigkeiten in den Kanälen des aktiven Bereichs spielt die Stegbreite nur eine untergeordnete Rolle im Vergleich zur Permeabilität der Gasdiffusionslage, die bei unter 0,9 * 10E-15 m² liegen sollte. Die Bipolarplatte kann einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der PEM-Brennstoffzelle haben. Zur Minimierung des Einflusses und damit Steigerung der Lebensdauer werden für die Verteilstruktur und die Hauptkanäle der Bipolarplatte Designrichtlinien entwickelt, die in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen und des Bipolarplattendesigns die Verteilung der Medien im aktiven Bereich optimieren. Die Auslegung der Verteilstrukturen sollte über die Druckverlustanteile der Verteilstrukturen am Gesamtdruckverlust der Bipolarplatte erfolgen, da dieser Einfluss deutlich größer als der der Betriebsbedingungen ist. Für die Hauptkanäle des Brennstoffzellenstapels gibt es je nach Zellanzahl im Stapel und dem Druckverlust der Einzelzellen ein optimales Verhältnis für Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelhauptkanäle, um das der jeweilige Auslasshauptkanal größer als der Einlasshauptkanal sein sollte. Zur experimentellen Validierung der Bipolarplattendesigns und derer Wechselwirkungen mit der Gasdiffusionslage sind üblicherweise teure Prototypen nötig. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Verhalten von automobilen Bipolarplatten auch mittels kostengünstigen kleinen Laborzellen in Abschnitten nachgestellt werden kann, so dass Herstellkosten und -zeit in der Designvalidierung gespart werden. Als Abschluss der Arbeit werden die Kanäle der Verteilstruktur und des aktiven Bereichs eines bestehenden automobilen Bipolarplattendesigns nach den Designrichtlinien neu ausgelegt, um die elektrische Stromdichte und die Verteilung der Medien zu erhöhen. Mit dem experimentell und simulativ validierten Design wird eine Stromdichte von 2,13 A/cm² bei 0,618V (1,32 W/cm²) erzielt.

This thesis focuses on the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell’s bipolar plates potential to increase the power density and durability of the fuel cell stack. Design guidelines are developed for the fluid containing areas of the PEM fuel cell to simplify the design process for high current densities and homogenous fluid distribution in these areas. Secondly, a method to validate the design for automotive fuel cell bipolar plates with laboratory sized plates is proposed and with the design guidelines the active area of an automotive fuel cell is redesigned and validated by simulation and experiment. An empirical model for the interdependencies between the channel width and the mechanical properties of the gas diffusion layer (GDL) is developed. This is combined with the experimental results from a newly developed test method for the contact resistance between the GDL’s micro porous layer and the catalyst layer. This new model allows for quick iterations in the design process without time consuming simulations for each individual design. A target of 0,19MPa is proposed for the minimum contact pressure to reduce electrical losses. For high current density applications the landing width in the active area has to be as small as possible to reduce diffusion losses. In combination with the small landing width the GDL’s permeability should be lower than 0,9 * 10E-15 m² to ensure a stable operation of the fuel cell. The fluid distribution should be as homogenous as possible to reduce the bipolar plate’s effect on the fuel cell durability. For the cross flow region this is achieved by a minimum pressure drop proportion of the total bipolar plate’s pressure drop. The fuel cell’s header design is dependent on the cell count of the fuel cell stack and the pressure drop across the single cell. For all three fluids - hydrogen, air and coolant - an optimum header size relation exists, of which the outlet header should be larger than the inlet header, in order to improve flow distribution across the cells. The experimental validation of automotive bipolar plates, and their interdependencies with the gas diffusion layer, typically requires a complex and expensive prototype. In this thesis it is shown that the behavior of automotive fuel cells can be recreated by small fuel cells in laboratory dimensions, which saves time and production cost in the design phase of a new bipolar plate. Finally, the developed design guidelines are applied to an existing automotive bipolar plate to redesign the cross flow region and active area to increase current density and fluid distribution. This design is validated by simulation and experiment and achieves a current density of 2,13 A/cm² at 0,618V (1,32 W/cm²)

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Mohr, Philipp: Optimierung von Brennstoffzellen-Bipolarplatten für die automobile Anwendung. 2018.

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