AiF-FV-Nummer 14461

Erarbeitung und Validierung eines Simulationsmodells für den Wasserhaushalt von PEM-Brennstoffzellen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.07.2005 bis 31.12.2007

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Forschungsziel war die Entwicklung eines Simulationsmodells für den Wasserhaushalt von PEM-Brennstoffzellen, mit dem insbesondere die optimale Befeuchtung von PEM-Brennstoffzellen-Systemen für beliebige Betriebszustände innerhalb des Leistungsbereichs des jeweiligen Systems ermittelt werden kann. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine innovative Methode zur Unterscheidung von Befeuchtungs- und Produktwasser einer Brennstoffzelle durch Nutzung von schwerem Wasser (D2O) zur Befeuchtung entwickelt und genutzt, um die für das Simulationsmodell benötigten experimentellen Daten zum Wasserhaushalt einer PEM-Brennstoffzelle zu ermitteln. Die austretenden anodischen und kathodischen Wasserströme wurden mit einem in dem Vorhaben entwickelten Kondensationssystem auskondensiert und anschließend mittels FTIR-Spektroskopie das D2O/H2O-Verhältnis der Kondensate bestimmt. Unterschiedliche Membranen und die Flow-Field-Geometrien "Serpentine" und "Pfosten" kamen in einer Einzelzelle und in einem 5-zelligen Stack zum Einsatz. Für PEM-Einzelzellen mit einer bestimmten Gasverteiler (Stempel)Membran-Kombination und für einen 5-zelligen PEM-Brennstoffzellenstack mit ähnlicher Kombination ließen sich ausreichend genaue Aussagen über die Stoffströme von Wasser in einer PEM-Brennstoffzelle treffen. Limitierender Faktor waren bei allen Untersuchungen die messtechnischen Ungenauigkeiten, vor allem aber das Auftreten eines nicht erwarteten H-D-Isotopenaustauschs von HOD und D2O mit dem überstöchiometrisch zugeführten H2 auf der Anodenseite. Dies führt dazu, dass HOD und D2O in H2O überführt wird und das Deuterium in Form von HD und D2 mit dem Anodengasstrom aus dem System ausgetragen wird. Dadurch entsteht ein D2O-Schlupf, so dass immer zu wenig D2O gefunden wird und die Wasserbilanz nicht vollständig geschlossen werden kann. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde ein numerisches Simulationsmodell angepasst, um den Wasserhaushalt von PEM-Brennstoffzellen zu modellieren. Dabei wurden die bei den experimentellen Untersuchungen aufgenommenen U/I-Kennlinien in dem Simulationsmodell abgebildet. Mit der Simulationsumgebung ist es möglich, die externen und die internen, transmembranen Wassertransportströme für beliebige Lastzustände und Gaskonditionierungen zu berechnen. In den Simulationsrechnungen wurden die beiden Zellbauformen vom Typ "Serpentine" und "Pfosten" untersucht. Dabei wurde auf verschiedenen Detailstufen gearbeitet: Mit Hilfe von Einkanalmodellen wurden Parametereinflüsse auf das Modell betrachtet. Es wurde eine einfache Parameteranpassung vorgenommen, um das Modell mit den experimentellen Daten abzugleichen. Die Ergebnisse wurden auf Symmetriegeometriemodelle übertragen. Spezielle Bipolarhalbplatten wurden entwickelt, die über Symmetrieflächen in allen Raumebenen verfügen. Damit konnte der numerische Aufwand minimiert werden. Um die Befeuchtung der Membran zu analysieren, wurde der Membranwassergehalt detailliert ausgewertet und die Abhängigkeit vom Lastzustand bestimmt. Es liegen nun Informationen über ortsaufgelöste Membranwassergehalte vor. Aus diesen wurden außerdem Häufigkeitsverteilungen erstellt und mittlere Wassergehalte bestimmt. Es konnten Parameter gefunden werden, mit denen sich MEA-abhängig verschiedene Zellbauformen untereinander in Bezug auf die Membranbefeuchtung vergleichen lassen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Wahl der Gasverteiler eine entscheidende Rolle für den Wasserhaushalt und damit die Leistungsfähigkeit der Membran hat. Am Beispiel eines von Diffusion kontrollierten Geometrieausschnitts wurde die Hemmung der Elektrodenreaktionen detailliert untersucht. Für die Simulation eines Zellstapels wurde durch Variation der isothermen Zelltemperatur eine Sensitivitätsanalyse der Membranparameter durchgeführt. Mit diesen Daten wurde eine Funktion bestimmt, die den Wassergehalt in Abhängigkeit von Last und Temperatur für eine spezifische Zellgeometrie beschreibt. Mit diesen Methoden ist es nun prinzipiell möglich, gezielt Bauformen zu optimieren, um eine homogenere Verteilung des Wassers in der Membran zu erreichen. Eine vollständige Simulation des Wasserhaushalts einer Membran mit den transmembranen Wasserströmen ist jedoch nur eingeschränkt möglich, da die mit dem derzeitigen Messaufbau ermittelten experimentellen Daten noch keine lückenlose Quantifizierung des Wasserhaushalts zulassen. Eine Erweiterung der Messmethodik um eine massenspektroskopische Analyse zur Bestimmung des HD- und D2- Gehalts im Anodenabgas würde die Möglichkeit bieten, den D2O-Schlupf zu quantifizieren. Damit könnten die Wasserbilanzen geschlossen werden und ein die realen Verhältnisse in einer Brennstoffzelle abbildendes Simulationsmodell zur Verfügung gestellt werden. Das vollständig einsetzbare Simulationsmodell kann dann genutzt werden, um die Befeuchtung von Brennstoffzellen in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand und den eingesetzten Membranen zu optimieren. Das Projektziel wurde nur zum Teil erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente