View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

10 1 Einführung und Zielsetzung
Die Arbeit gliedert sich im Einzelnen in folgende Kapitel:
Kapitel 2 beschreibt einen neuartigen Modellansatz zur Leistungscharakterisierung von PEFC in
Form von Spannungs-Stromdichte-Kennlinien. Für die betrachteten Brennstoffzellen werden anhand
von experimentell ermittelten Messreihen funktionale Abhängigkeiten der verwendeten
Modellparameter unter variierenden Betriebsparametern abgeleitet. Diese Abhängigkeiten
dienen der Interpretation der Messergebnisse und erlauben, den experimentellen Messaufwand
zu verringern. Eine Sensitivitätsanalyse der Modellparameter zeigt am Ende des Kapitels für
das gewählte Zelldesign des 5 kW Zellstapels Optimierungspotentiale bezüglich der Zellleistung
auf.
Kapitel 3 erläutert die Messaufbauten und Messmethoden, die zur Charakterisierung der untersuchten
Einzelzellen und Zellstapel zum Einsatz kommen. Den Schwerpunkt dieses Kapitels
bildet die Beschreibung von zwei innovativen Verfahren zur Bestimmung der Stromdichteverteilung
in Brennstoffzellen. Das erste Verfahren basiert auf lokalen Widerstandsmessungen. Die
vorgestellte Messapparatur, die keine Segmentierung der MEA oder Bipolarplatte erfordert, ist
kostengünstig zu fertigen und leicht in Zellstapel zu integrieren. Das als Magnetotomographie
bezeichnete zweite Verfahren ist das derzeit einzige bekannte nicht-invasive und somit rückwirkungsfreie
Verfahren zur Bestimmung der Stromdichteverteilung. Das Verfahren erlaubt,
durch Messung der magnetischen Flussdichte außerhalb eines Zellstapels auf die Stromdichteverteilung
innerhalb des Zellstapels zu schließen.
Kapitel 4 beschreibt und bewertet die experimentellen Ergebnisse, die als Grundlage für die
Auslegung des 5 kW Zellstapels dienen. Die Ergebnisse umfassen eine systematische Charakterisierung
von Einzelzellen und aus maximal drei Zellen bestehenden Zellstapeln. Untersucht
werden unter anderem die Einflüsse unterschiedlicher Strömungsstrukturen und Bipolarplattenmaterialien
sowie variierender Betriebsparameter auf die Zellleistung.
Kapitel 5 behandelt die Medienverteilung in einem Brennstoffzellenstapel. Eine gleichmäßige
Verteilung der Medien auf die einzelnen Zellen eines Zellstapels ist Voraussetzung für eine
hohe Leistungsausbeute. Die Verteilung der Medien ist neben verschiedenen Geometrie- und
Betriebsparametern von der Art der Strömungsführung in dem Zellstapel abhängig. Der gewählte
Ansatz zur Berechnung der Medienverteilung untersucht die Auswirkungen der unterschiedlichen
Einflussgrößen auf die Verteilung und bestimmt für den 5 kW Stapel eine auf die
Strömungsstruktur der Zellen abgestimmte Auslegung der Versorgungskanäle. In einem weiteren
Schritt erfolgt die Verallgemeinerung des gewählten Ansatzes, indem die Einflussgrößen zu
dimensionslosen Kennzahlen zusammengefasst werden. Für beliebige Zellstapelgeometrien
wird die Gleichmäßigkeit der Medienverteilung in Abhängigkeit der Kennzahlen für ausgewählte
Kennzahlbereiche in graphischer und analytischer Form präsentiert.
Kapitel 6 befasst sich mit dem Wärmemanagement einer 5 kW PEFC. Zur Abfuhr der Reaktionswärme
aus dem Zellstapel werden luft- und wasserbasierte Kühlkonzepte gegenübergestellt
und bewertet. Eine entwickelte Auslegungsroutine optimiert die Kühlzellengeometrie bezüglich
der durch die Kühlung bedingten Verlustleistung. Diese Routine erlaubt neben der Betrachtung
der strömungsbedingten und Ohmschen Verlustleistung auch eine Berücksichtigung
wärmetechnischer Gesichtspunkte.