Ortsaufgelöste Charakterisierung von Brennstoffzellen-Strömungsfeldern zur Modellvalidierung. Dietmar Gerteisen.

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1 Ortsaufgelöste Charakterisierung von Brennstoffzellen-Strömungsfeldern zur Modellvalidierung Forschungsaversum Projekt-Nr.: 1108 Dietmar Gerteisen Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Präsentation der Aversumsergebnisse 2010/2011 Stuttgart, Motivation Die Leistung und Langlebigkeit von Brennstoffzellen wird aufgrund von lokalen Inhomogenitäten in Konzentrationen der Edukte/Produkte, Feuchte, Temperatur, Potential und Stromproduktion verringert Komplexe Modelle werden oft nur gegen gewöhnliche U-i-Kennlinien validiert Shimpalee et al., Experimental and numerical studies of portable PEMFC stack, Electrochimica Acta, 54 (2009)

2 Motivation Die Leistung und Langlebigkeit von Brennstoffzellen wird aufgrund von lokalen Inhomogenitäten in Konzentrationen der Edukte/Produkte, Feuchte, Temperatur, Potential und Stromproduktion verringert Komplexe Modelle werden oft nur gegen gewöhnliche U-i-Kennlinien validiert Es stellt sich aber die Frage: Wie homogen sind die Bedingungen über die aktive Zellfläche? Die Antwort darauf führt zur nächsten Frage: Wie kann die Homogenität verbessert werden? Design? Betriebsbedingungen? Komponenten? Regelungsstrategien? Agenda Multikanal-Charakterisierungssystem (MCCS) Entwicklung und Fertigung von segmentierten Brennstoffzellen Ergebnisse der ortsaufgelösten Charakterisierung Publikationen, Präsentationen und Bachelorarbeiten 2

3 Multi-Channel Characterization System (MCCS) zur ortsaufgelösten Stromdichte-, Spannungs- und Impedanzspektroskopie-Messung von elektrochemischen Energiewandlern 50 synchronisierte Potentiostate kombiniert mit 50 Impedanzspektrometern Strombereich: ±5 A pro Pstat Frequenzbereich: 10 khz 0.1 Hz FRAs mit Lock-in Technik Verkabelung mit sehr geringer Induktivität (164 nh m -1 ) Prinzip der Verschaltung der MCCS mit einer segmentierten Brennstoffzelle Jedes Segment ist an einem eigenen Pstat angeschlossen Jeder Pstat kommuniziert mit seinem eigenen FRA zur Impedanzanalyse generator signal FRA Potentiostat Segmentierte Zelle 3

4 Und so sieht es in der Realität aus! Konstruktion und Fertigung von segmentierten Gasverteilerplatten Parallel Serpentine Serpentinen- 3-fach Serpentine 7 x 7 -Matrix Effekte in den Kurvensegmenten von besonderem Interesse Querschnitt eines Segments 4

5 Parallel- 7 x 7 -Matrix Temperatursensoren an 6 Stellen Wasserkühlung in Cross-Flow- Mode Nomenklatur Segmentposition durchnummeriert Reihe / Spalte Bei gleichen Materialkomponenten wurde die BZ unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen charakterisiert Betriebsbedingung Bezeichnung Wert Anströmkonfiguration co- / counter flow Variation der high / low Einlassvolumenström e cathode: (3240 / 1620) ml/min anode: (1160 / 580) ml/min Gaseinlassfeuchten dry / wet RH c / RH a 80% / 80% 00% / 80% 80% / 00% Zellspannung U 0.8 / 0.7 / 0.5 / 0.2 V Zelltemperatur T 60 ± 3 C Druck P Zellauslass l auf Umgebungsdruck Nomenklatur: Beispiel: Co/Counter - high/low - RH c Rh a Co-high

6 Ausgewählte Ergebnisse zur Parallel- Co-High Inhomogene Stromproduktion bei geringen Zellspannungen HFR dominiert die Stromproduktion Austrocknung der MEA aufgrund trockenem Wasserstoff Ausgewählte Ergebnisse zur Parallel- Co-xx Höhere Gasflussrate erhöht Stromproduktion aber Charakteristik bleibt erhalten Co-high-xx-xx Austrocknung der MEA aufgrund trockener Einlassgase Anode >> Kathode Reihe 5 Reihe 3 6

7 Ausgewählte Ergebnisse zur Parallel- Counter-low Zeitliche Ausbreitung der Flutungserscheinung Zellspannung: 0.8, 0.7 und 0.5V Ausgewählte Ergebnisse zur Parallel- Counter-low Zeitliche Ausbreitung der Flutungserscheinung Zellspannung: 0.8, 0.7 und 0.5V 7

8 Ausgewählte Ergebnisse zur Serpentinen- Co-Low Austrocknung im Einlassbreich bei hoher Zellspannung HFR dominiert die Stromproduktion bei hoher Zellspannung Eduktkonzentration dominiert die Stromproduktion bei niedriger Zellspannung Ecksegmente zeigen unterschiedliches Verhalten Publikationen, Präsentationen und Bachelorarbeiten Publikation Effect of Operating Conditions on Current Density Distribution and High Frequency Resistance in a Segmented PEM Fuel Cell Dietmar Gerteisen, Nada Zamel, Christian Sadeler, Florian Geiger, Victor Ludwig, Christopher Hebling International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 9, May 2012, Pages Konferenzvortrag Detailed Analysis of Current Density and High Frequency Resistance Distribution in a Segmented PEM Fuel Cell Dietmar Gerteisen, Nada Zamel, Christian Sadeler, Florian Geiger, Victor Ludwig, Christopher Hebling World Hydrogen Energy Conference WHEC 2012, Toronto Bachelorarbeiten Ortsaufgelöste Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellen mit Serpentinen- Florian Geiger, Bachelorthesis, 2012, Hochschule Offenburg Ortsaufgelöste Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellen mit parallelem Strömungsfeld Victor Ludwig, Bachelorthesis, 2012, Hochschule Offenburg 16 8

9 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Dr. Dietmar Gerteisen