Teilbereich Simulation und Konstruktion H 2 HTFC-Projekt

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1 Teilbereich Simulation und Konstruktion H 2 HTFC-Projekt Prof. Dr.-Ing. V. Wesling 1), Dr.-Ing. P. Giese 1), Dipl.-Ing. T. Kandelhardt 1) 1) TU-Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Agricolastraße 2, Clausthal-Zellerfeld, office@isaf.tu-clausthal.de 1. Übersicht der Aufgabe: Die Effizienzsteigerung von Brennstoffzellen auf der Grundlage einfacher und kostengünstiger Bauelemente, die das Potential zu einer Massenproduktion haben ist das Ziel eines Forschungsvorhabens an der TU-Clausthal. Neben neuartigen Membranen aus neutralen Monomeren, sollen spezielle Kanalgeometrien zur Verteilung der Reaktionsgase entwickelt werden. Brennstoffzellen, die als Energieerzeuger aus Wasserstoff und Sauerstoff zu den erneuerbaren Energien gehören, bekommen derzeit eine wichtige Rolle zugeschrieben. Dennoch sind Probleme wie zum Beispiel die geringere Leistungsdichte gegenüber Verbrennungen immer wieder ein Thema. Ein Bereich um die Energiedichte zu verbessern ist, die Kanalstrukturen (Flowfields) strömungstechnisch zu optimieren. Durch den Einsatz von systematischen Lösungsfindungen kombiniert mit der Entwicklung von Brennstoffzellensimulationen sollte die Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturbrennstoffzellen verbessert werden. Die Verbesserung des Flowfields sind durch zum Teil widersprüchliche Anforderungen nicht pauschal zu beantworten. Zu den Aufgaben der Flowfields gehören neben der Sammlung der Edukte und Produkte über der gesamten Elektrodenoberfläche, eine optimale Versorgung von Luft und Wasserstoff sowie die gleichmäßige Verteilung der Gase. Dem gegenüber steht eine großflächige Kontaktierung zur Reduzierung des Übergangswiderstandes und zur Verteilung der Montagekräfte. Ein geringer Druckverlust, der vor allem in Bezug auf die Verlustleistung und Kompressorleistung gewünscht ist, ist ebenfalls nicht zu vernachlässigen. 2. Untersuchungen und durchgeführte Arbeiten: 2.1 Simulation Als Werkzeug zur Aufgabenbewältigung wurden Simulationen eingesetzt. Ziel ist es die Interaktionen zwischen Anode und Kathode, sowie Gaskonzentrationen auf Höhe der Membran realitätsnah auch von umfangreichen und großen Brennstoffzellen zu simulieren. Alle nachfolgenden erwähnten und dargestellten Berechnungen wurden mit dem kommerziellen CFD-Programm Ansys CFX mit einem turbulenten Ansatz durchgeführt Grundsimulation Aufgrund der Tatsache, dass in die an dem Strömungskanal (Flowchannel) anliegende Diffusionsschicht kontinuierlich Masse übergeht, um mit dem gegenüberliegenden Medium zu reagieren, verändert sich die Umgebung des Strömungsmediums in Abhängigkeit des Massentransports durch die Diffusionsschicht. Je nachdem, welcher Strömungskanal (Wasserstoffseite,

2 Sauerstoffseite) betrachtet wird, wird der Volumenstrom entweder größer (Kathodenseite) oder kleiner (Anodenseite). Die simulative Aufgabe der Geschwindigkeitsverteilung unter Berücksichtigung des Einströmens von Gas in die Diffusionsschicht steht im Vordergrund der grundlegenden Berechnung. Um das Strömungsverhalten realitätsnah abzubilden, ist es erforderlich, dem Strömungskanal mit Hilfe von Oberflächenquellen Masse zu entziehen. Durch das Variieren von z.b. Druck und Temperatur der Medien kann der Betriebszustand der Brennstoffzelle verändert werden. Um die Simulationen untereinander vergleichbar zu machen, wurde der Betriebszustand der Brennstoffzelle in der Simulation konstant (Stromdichte 200 ma/cm²) gehalten. In den Ergebnissen ist ein signifikanter Unterschied gegenüber einer herkömmlichen Simulation ohne Oberflächenquellen vor allem in der Geschwindigkeitsverteilung zu erkennen. Im Beispiel einer parallelen Verteilerstrukturen (siehe Abbildung 1) weist, entgegen der Erwartung einer ähnlichen, eventuell nur langsameren Strömungsgeschwindigkeit zum Ausgang hin, die Simulation mit Oberflächenquellen eine starke Rückströmung auf. Eine derartige Strömungsverteilung ist für die Funktion und Leistung einer Brennstoffzelle negativ zu bewerten. Dementsprechend ist eine parallele Struktur trotz des immensen Differenzdruckvorteils gegenüber einer Mäanderstruktur benachteiligt. Dies lies sich in einem Versuch bestätigen. Abbildung 1: Simulation einer parallelen Struktur PEM-FC-Simulationsmodul Neben der Grundsimulation des Gastransportes, ist die Simulation der Diffusionseigenschaften in die Gasdiffusionsschicht und die daraus resultierenden Interaktionen zwischen der Anode und Kathode ein weiterer entscheidender Schritt für die Entwicklung einer Brennstoffzelle. Aus diesem Grund wurde ein eigenes geeignetes PEM-FC-Modell entwickelt. Ein in Ansys CFX implementiertes FORTRAN-Programm ermöglicht es, größere komplexere Modelle zu berechnen. Damit dies möglich ist und dennoch eine realistische Strömungsverteilung resultiert, wurden die Gasdiffusionsschicht, die Katalysatoren und die Membran zu einem gemeinsamen Volumen zusammengefasst (vgl. Abbildung 2).

3 Abbildung 2: Simulation einer parallelen Struktur Dieses Programm bildet die Diffusion der Gase und die Gasverteilung in den Gasdiffusionsschichten ab und ermöglicht somit Reaktionsmaxima und -minima zu erkennen. Zusätzlich werden hier die Reaktionsgase und Produkte (inkl. Stickstoff) berechnet. Selbst eine Berechnung eines gesamten 3-er Stacks wurde damit durchgeführt. Somit wurden auch die Unterschiede in den einzelnen Zellen und Gasdiffusionsschichten sichtbar (vgl. Abbildung 3a, 3b). Abbildung 3a und 3b: Gasverteilung auf Höhe der Membran von 2 Mäanderstrukturen Weitere im Projekt durchgeführte Simulationen Gaszu- und Gasabführungen Durch die Zielsetzung einen Stack zu entwickeln, wurden auch Gaszuführungen eines gesamten 50er Stacks simuliert. Dabei wurden ausschließlich die Zuführungskanäle betrachtet und nicht die Strömung innerhalb jeder Zelle. In den Ergebnissen zeigte sich eine starke Wirbelbildung im Auslasskanal des Sauerstoffs und eine extrem ungleichmäßige Strömungsverteilung in den Einlasskanälen. Dadurch werden die einzelnen Bipolarplatten mit unterschiedlichen Gasmengen gespeist, die keine homogene Leistungsentwicklung und

4 Wärmeentwicklung zur Folge haben. Aufgrund der variablen Strömungsausprägung in den Kanälen wurde ein Kern entwickelt, der diese Strömungsausprägung glätten soll. Durch empirisch bestimmte Bohrungen und eine Düsenstruktur im Inneren des Kerns wird auf die gerade vorhandene Strömungsausprägung eingegangen und diese angepasst, so dass jede der 50 Bipolarplatten mit nahezu derselben Gasmenge gespeist werden. Ein derartiger entwickelter Kern eines 50er Stacks ist in Abbildung 4a zu sehen. Für die Gasausleitung wurde eine halbmondförmige Struktur gewählt, der aufgrund der Form die Wirbelbildung unterbindet (siehe Abbildung 4b und 4ce). 0,5 mm 0,7 mm Abbildung 4a: Kern zur Gasverteilung an den Gaszuführungen Abbildung 4b: Wirbelbildung am Kathodenauslass Abbildung 4c: Ursprüngliche und Halbmond-Struktur zur Verhinderung der Wirbelbildung Durchbiegung von Endplatten Die Durchbiegung und Dichtheit eines Stacks ist ein weiteres erhebliches Problem. Aufgrund dessen wurde zu Beginn des Vorhabens die Durchbiegung mit Ansys FEM an radialen und quadratischen Zellen simuliert und verglichen. Alle Simulationen wurde mit den physikalischen Werkstoffeigenschaften des Brennstoffzellenmaterials der Firma Eisenhuth GmbH & Co. KG durchgeführt. Die simulierten Ergebnisse

5 wurden anhand von realen Zellen bestätigt. Es stellt sich heraus, dass eine zentrale Schraube die Durchbiegung um etwa 40% senkt, jedoch aus Gründen der Dichtheit nicht vorteilhaft ist. Abbildung 5: Simulation der Durchbiegung eines radialen Stacks mit Mittelbohrung Temperaturentwicklungssimulation von HT-PEM-Brennstoffzellen Bei einer höheren Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist die genaue Temperaturentwicklung von Interesse, da eventuell die Temperaturbelastung innerhalb bestimmter Flächen der Brennstoffzelle kritische Werte annehmen und damit die Lebensdauer reduzieren könnte. Besonders kritisch sind dabei nicht unbedingt nur die hohen absoluten Temperaturen, sondern besonders große lokale Temperaturdifferenzen. Ziel ist es daher die Brennstoffzelle so zu konstruieren, dass im Idealfall eine konstante Temperaturverteilung über die gesamte Zelle vorliegt, da die Materialbelastung der Brennstoffzelle so am geringsten ist. Eine entscheidende Möglichkeit die Temperaturentwicklung lokal zu verändern ist über die Form und den Verlauf der Gaskanäle für Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft. Man kann annehmen, dass die Reaktionsdichte vom Abstand der beiden Kanäle abhängt, und davon die Temperaturerhöhung. Die Simulation selbst, wobei die Modellierung grundlegend nach der in Abschnitt vorgenommen wurde, ist durch die Aktivierung der Temperaturverteilung etwas vergrößert worden. Mögliche Temperaturabstrahlungen an die Umgebung werden nicht berücksichtigt. Neben der Betrachtung der Temperaturverteilung in der Zelle selbst ist es nun auch möglich die Temperaturveränderungen in den Zellplatten anschaulich zu machen. Dafür sind am besten transiente Simulationen geeignet. Für die Berechnung und Darstellung von Temperaturgradienten bzw. Temperaturverteilungen ist die stationäre Simulationsberechnung vorzuziehen.

6 Abbildung 6: Simulierte Temperaturverteilung Abbildung 7: Thermographieaufnahmen eines Einzellers 2.2 Zusammenführung von Simulation und Konstruktion Auf Basis eines runden radialsymmetrischen Flowfields mit sechseckiger Grundplatte mussten Kanalgeometrien mit einem Durchmesser von 120 mm konstruiert werden. Eine durchgeführte systematische Lösungsfindung (vgl. Abbildung 8), bestehend aus den Wirkprinzipien Gaszuführung, Gasverteilung und Gasausleitung, liefert die grundlegenden Flowfieldstrukturen. Diese stellen auf der Anode eine Pin-Struktur und auf der Kathode eine Mäanderstruktur bei unterschiedlichen Gaszu- und -abführungen dar. Der Grund verschiedener Strukturen für Anode und Kathode liegt an den unterschiedlichen Bedingungen auf der jeweiligen Elektrode. Die Kathode hat bei PEM-Brennstoffzellen neben der Verteilung auch das gesamte Produktwasser aufzufangen und abzuführen.

7 Abbildung 8: Ergebnisse aus der systematischen Lösungsfindung von Anode (4 links) und Kathode (4 rechts) In mehreren Optimierungsschritten wurden beide Flowfields hinsichtlich geringen Druckverlusts, gleichmäßige Strömungsverteilung, kleiner Temperaturgradienten und guter Reaktionsdichte bearbeitet. Die patentierten und optimierten Gasverteilungsstrukturen sind in Abbildung 9 zu sehen. Abbildung 9: links: Kathode der optimierten Brennstoffzelle; rechts: Anode der optimierten Brennstoffzelle Die Veränderungen in den Zuführungen und Verteilerstrukturen erzeugen eine homogene Strömungsverteilung der Gase während des Betriebs. Auf der Anode wurden vier Eingänge und zwei Ausgänge verwendet. Die Kathode hingegen besitzt zwei Eingänge und vier Ausgänge. Die parallelen Kanäle der Kathode sind nunmehr radial angeordnet. Diese Anordnungen verringert die Verlustleistung, die ein Produkt aus Differenzdruck und Volumenstrom darstellt. Im letzten Schritt wurde um eine absolute Dichtheit zu gewährleisten eine 3-teilige Bipolarplatte entwickelt. Diese besteht aus jeweils einer Kanalstruktur für Anode und Kathode und einer mittleren Gas-Verteilerstruktur. Die Flowfields wurden mit Hilfe von Zuführungsbohrungen von der mittleren Verteilerstruktur mit Gas versorgt. Die endgültigen patentierten Strukturen sind in nachfolgenden Abbildungen zu sehen.

8 Abbildung 10: Endgültige Flowfields von Anode und Kathode Abbildung 11: Mittlere Gas-Verteilerstruktur