Strömungssimulation zur Optimierung von Flussfeldern in PEM-Brennstoffzellen

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1 Fakultät für Maschinenbau Institut für Automobilforschung Professur Alternative Fahrzeugantriebe Strömungssimulation zur Optimierung von Flussfeldern in PEM-Brennstoffzellen Philipp Jendras, Karl Lötsch, Prof. Dr.-Ing. Thomas von Unwerth 9. Anwendertreffen SAXSIM Chemnitz, 28. März 2017

2 Potentiale für Wasserstoff in der Mobilität Massentauglich durch: Mio. registrierte Fahrzeuge weltweit Kurze Betankungszeiten Beheizung des Fahrzeugs Großes Anwendungsspektrum Hohe Reichweiten (Quellen: Statista, Fotos: energiezukunft.eu, Baltimore Sun, Tobias Hase, CVAG, roy-otto.de) 2

3 Funktionsweise der PEM-FC Einteilung nach: Brennstoff H 2 & O 2 H 2 O + Energie Betriebstemperatur Niedertemperatur (<100 C) Elektrolyt Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) mit Wasser 3 (Quelle: ALF)

4 B E I S P I E L Schlüsselkomponente: Bipolarplatte Verspannsystem Endplatte Bipolarplatte Stapel/Stack PKW Antrieb mit 400 V, 114 kw bis zu 1V pro Zelle 400 Zellen in Reihe je Stack 401 Bipolarplatten 802 einzelne Bleche je Fahrzeug bisherige Kostenanteile je Stack (bei Stück): Schlüsselkomponente Bipolarplatte Fahrzeuge a Stacks Tag Stacks h BIP min Bleche min ,25 8,35 16, ,50 83,50 167, ,00 835, , , , ,00 Bipolar Plates Catalyst + Application MEA Frames/Gaskets Membranes GDLs Balance of Stack Werktage, 2 Schichten, 8h/Schicht, 100% Auslastung (Quelle: DoE Hydrogen and Fuel Cells Program)

5 B E I S P I E L Schlüsselkomponente Bipolarplatte Verspannsystem Endplatte Bipolarplatte Stapel/Stack PKW Antrieb mit 400 V, 114 kw bis zu 1V pro Zelle 400 Zellen in Reihe je Stack 401 Bipolarplatten 802 einzelne Bleche je Fahrzeug Fertigungsprozess: Folienwalzen und Glühen Beschichten Umformen Fügen 5

6 Aufgaben von Bipolarplatten Kanalquerschnitt: Gase zu-/abführen Illustrieren el. Reihenschaltung Zellen kühlen Zellen abtrennen mech. Grundstruktur 6

7 Strömungstechnische Funktionsanforderungen geringer Strömungswiderstand Diffusion der Prozessgase durch GDL Abtransport der Produktwassers gleichmäßige Verteilung der Edukte an Membran H 2 H 2 Kühlmedium O 2 O 2 guter Wärmeübergang zum Kühlmedium Abhängig von: - Kanalgeometrie (Fläche, Radien, Breite, Höhe ) H 2 Kühlmedium H 2 - Kanalverlauf O 2 O 2 - Beschaffenheit der Oberfläche GDL aus C-Fasern Membran (Reaktionszone) 7

8 Aufbau von metallischen Bipolarplatten Zellfläche cm² 8

9 Flussfeld-Designs Pin-type Flussfeld Parallelflussfeld Mäanderflussfeld sehr geringer Druckabfall tote Bereiche geringer Druckabfall schlechte Medienverteilung gute Medienverteilung hoher Druckabfall Ineinandergreifendes Flussfeld gute Einkopplung in GDL hoher Druckabfall 9 (Quelle: Peng, Linfa; Yi, Peiyun; Lai, Xinmin)

10 G e r i n g e K o s t e n H o h e r W i r k u n g s g r a d Multikriterielle Optimierung Funktionale Optimierung: Druckabfall über gesamten Flussfeld Minimierung parasitärer Leistung des Verdichters Verteilung der Prozessgase an Elektrode hohe Leistungsdichte der Zelle Abtransport des Produktwassers Vermeiden von toten Kanälen Ökonomische Optimierung: Fertigungstoleranzfelder vergrößern Vereinfachung der Geometrie Materialeinsatz verringern 10

11 Vorgehensweise Modellerstellung Vernetzung Randbedingungen Ergebnis Verifizierung des Modells anhand Literatur Simulationsdimensionen Einzelner Kanal Variation der Kanalgeometrien α Radius Winkel Gesamtes Flussfeld simulieren Variationen von Flussfeldformen 11

12 G e s a m t - f l u s s f e l d E i n z e l - k a n a l Vernetzung Randbereiche strukturiertes Gitter Optimale Auflösung der Grenzschicht Geringe Schiefwinkligkeit der Netzzellen Kleinere Abbruchfehler Erhöhte numerische Genauigkeit Mitte der Strömung unstrukturiertes Gitter Flexible Tetraederelemente Automatische Vernetzung möglich Einfache strukturierte Blockelemente keine Untersuchung des Einfluss des Radius Anzahl Elemente: circa Elemente mm² ,5 7,5 [mm] 12

13 Randbedingungen Vereinfachungen: ausschließlich Betrachtung der des Flussfeldes ohne explizite Betrachtung der Diffusionsvorgängen durch GDL und Membran Ein-Phasen-Modell (Real: Wassertropf in Abluft) p S Fluide Randbedingungen: Feuchte Luft Wasserstoff Turbulenzmodell (k-ε-modell) p GDL S Geometrische Randbedingungen: m Strömung am Eingang p S p GDL λ S m Statischer Druck am Ausgang um Systemdruck abzubilden Statischer Druck an der Fläche zur GDL um Druckabfall über GDL abzubilden Raue Oberfläche im Kanal (Rohrrauheitswert) Symmetrie 13

14 Auszug aus Simulationsergebnissen Wasserstoffanteil bezogen Eingangsvolumenstrom V V 1 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 Randbedingungen: Eingangsmassenstrom = 100 cm3 min Betriebstemperatur = 80 C Fläche = 500 cm 2 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 Auswertung: - hinreichend gleichmäßige Verteilung des Wasserstoff über Zellfläche von 0,95 V 1 0,65 V 1 - größtenteils 0,85 V 1 - Vergleich Vor- und Nachteile von Mäander/Parallelflussfeld 14

15 Auszug aus Simulationsergebnissen Düsengeometrie Beispiel: Symmetrischer Nocken Beispiel: Nocken in Zahnform Auswertung: - Ziel Verwirbelung zur Verbesserung der Diffusion in GDL nur bedingt erreicht - Nachteil erhöhter Druckabfall 15

16 Ausblick Weitere Detaillierung des Modells Zwei-Phasen Wasserabtransport Strömungstechnische Validierung der Simulation im Labor Test des Flussfeld im Einzelzellprüfstand (U-I-Kennlinie) Optimierung des Modells und weitere Parametervariationen Systemsimulation Gesamtsystemwirkungsgrad 16

17 Fakultät für Maschinenbau Institut für Automobilforschung Professur Alternative Fahrzeugantriebe Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Philipp Jendras, Karl Lötsch, Prof. Dr.-Ing. Thomas von Unwerth 9. Anwendertreffen SAXSIM Chemnitz, 28. März 2017 Die Projektpartner bedanken sich beim Sächsischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA), dem Europäischen Sozialfonds (ESF) und der Sächsischen Aufbaubank (SAB) in Dresden für die Betreuung und Förderung des Projektes HZwo:BIP Bipolarplatten aus Sachsen im Rahmen der ESF-Technologieförderung InnoTeam.