3 Grundlegendes Funktionsprinzip und Aufbau der PEM-Brennstoffzelle
6.4 Ergebnisse der Einzelzellen-Leistungsmessungen
6.5.2 Einfluss des Druckes auf die Stack-Leistung
In Abbildung 6.5.2-1 sind die mit dem VW-HT-PEM-Stack gemessenen Polarisationskurven bei symmetrischer Druckbeaufschlagung mit Drücken von 1.0 bis 2.5 bar abs. bei einer Zelltemperatur von 165 °C und Standard-Stöchiometrien ohne Befeuchtung dargestellt:
Verlauf der Polarisationskurve beim VW-HT-PEM-Stack bei einer Zelltemperatur von 165 °C und Standard-Stöchiometrien (ohne Befeuchtung).
Abbildung 6.5.2-2 sind die entsprechenden Leistungsdichtekennlinien zu den Polarisationskurven aus e konnte aus den vorgenannten Gründen der PML nicht erreicht werden.
Stack-Spannung (V)
Stack-Stromdichte [A/cm²]
Tz = 165 °C Sa = 1.2, Sk = 2 rFa = rFk = 0 %
VW-HT-PEM-Stack 16 Zellen / 1 kW
Abbildung 6.5.2-1: Einfluss des Druckes bei symmetrischer Druckbeaufschlagung (pa = pk) auf den
Die Polarisationskurven in Abbildung 6.5.2-1 zeigen, dass eine Druckerhöhung zu einem Spannungs- und damit zu einem Leistungsanstieg führt. Der Spannungs- bzw. Leistungsgewinn nimmt dabei mit steigendem Druck ab. Bei einer symmetrischen Druckerhöhung von 1 auf 1.5 bar und einer Stromdichte von 0.5 A/cm² beträgt der Spannungsgewinn ca. 485 mV, während bei einer weiteren Druckerhöhung von 1.5 auf 2 bar der Spannungszuwachs nur noch ca. 440 mV beträgt. Wird der Druck noch weiter auf 2.5 bar erhöht, ist nur noch ein Spannungszuwachs von ca. 351 mV zu beobachten. Die Gründe für den Spannungszugewinn mit steigendem Druck wurden bereits in Abschnitt 6.4.2 erläutert.
In
Abbildung 6.5.2-1 dargestellt. Auch in dieser Versuchsreih
6.5 Ergebnisse der HT-PEM-Stack-Leistungsmessungen 123
i
Stack-Leistungsdichte (W/cm²)
Stack-Stromdichte [A/cm²]
Tz = 165 °C Sa = 1.2, Sk = 2 rFa = rFk = 0 % VW-HT-PEM-Stack
16 Zellen / 1 kW
Abb ldung 6.5.2-2: Leistungsdichtekennlinien VW-HT-PEM-Stack bei veränderlicher symmetrischer Druckbeaufschlagung (pa = pk), einer konstanten Zelltemperatur von 165 °C und Standard-Stöchiometrien (ohne Befeuchtung).
Stack-Spannung (V)
Stack-Stromdichte [A/cm²]
Tz = 165 °C pa = pk = 2.5 bar rFa = rFk = 0 %
VW-HT-PEM-Stack 16 Zellen / 1 kW
er Kathoden-Stöchiometrie (K= 2.0) und einer Zelltemperatur von 165 °C (ohne Befeuchtung).
Abbildung 6.5.3-1: Einfluss der Anoden-Stöchiometrie (A) auf den Verlauf der Polarisationskurve beim VV-HT-PEM-Stack bei konstant
6.5.4 Bestimmung von stationären Stack-Betriebspunkten
Während des Betriebs wird relativ viel Energie zum Temperieren des Brennstoffzellen-Stapels benötigt.
Es ist deshalb sinnvoll, die Leistungsmessungen am Stapel bzw. Stack in einem Betriebspunkt durchzu-führen, in dem er gerade soviel Abwärme produziert, wie zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur
enötigt wird. Ein weiterer Teil der experimentellen Untersuchungen am VW-HT-PEM-Stack bestand
eaktionen selbst auch influss auf die Temperatur haben, waren Haltezeiten von bis zu mehreren Stunden notwendig, um den b
deshalb in der Bestimmung von stationären Betriebspunkten, in denen sich der Brennstoffzellen-Stapel durch die Abwärme selbst auf Betriebstemperatur von ca. 165 °C hält. Dabei wurden einige Versuchs-parameter von VW vorgegeben, die während der Leistungsmessungen nicht verändert wurden. Nach-dem der Stack seinen Betriebszustand bei 165 °C und 2.5 bar erreicht hatte, wurde er mit einer definier-ter elektrischen Last beaufschlagt und von der exdefinier-ternen Beheizungsvorrichtung getrennt. Da die im Brennstoffzellen-Stapel ablaufenden temperaturabhängigen elektrochemischen R
E
6.5 Ergebnisse der HT-PEM-Stack-Leistungsmessungen 125
stationären Zustand zu finden. Bei diesen Versuchen, die alle im unteren Drittel des
Stack-Leistungs-dann keine brauchbaren Ergebnisse mehr.
In Abbildung 6.5.4-1 ist ein Ausschnitt des Versuchsprotokolls zur Bestimmung des stationären Stack-Betriebspunkts bei einer Stromstärke von 30 A dargestellt. Der Stapel befindet sich in diesem Betriebs-zustand mit einer elektrischen Leistung von ca. 313 W und einer Temperatur von 134.5 °C im Gleichgewicht mit den zu-, abgeführten und generierten Wärmeströmen. Tabelle 6.4.5-1 gibt Aufschluss über weitere Parameter des stationären Arbeitspunktes für Stromstärken von 30 A, 40 A und 45 A.
spektrums durchgeführt wurden, wurde der Stack irreversibel beschädigt. Weitere Messungen lieferten
Abbildung 6.5.4-1: Ausschnitt aus dem Versuchsprotokoll zur Bestimmung des stationären Betriebspunktes beim VW-HT-PEM-Stack bei einer Stromstärke von 30 A, einer Anoden-Stöchiometrie von 1.5, einer Kathoden-Stöchiometrie von 2.0, einem symmetrischen Druck von 2.5 bar und einer
Wie bereits erwähnt, kam es auf Grund der langen Haltezeiten mit hoher elektrischer Belastung bei den Versuchen zur Bestimmung der stationären Arbeitspunkte zu einer Undichtigkeit in den im Stack integrierten Thermoölleitungen. Diese Undichtigkeit machte sich durch Schwankungen in der Polarisa-
Temperatur von 134.5 °C
Tz = 134.5 °C pa = pk = 2.5 bar Sa= 1.5, Sk = 2.0 rFa = rFk = 0 %
VW-HT-PEM-Stack 16 Zellen / 1 kW
thodenseite. Bei dem Versuch die Undichtigkeitsstelle mittels asserstoffsensor zu finden, wurde eine lokale Überschreitung der unteren Explosionsgrenze
Stack bei Stromstärken von 30 A, 40 A und 45 A, einer Anoden-Stöchiometrie von 1.5, einer Kathoden-Stöchiometrie von 2.0 und einem symmetrischen Druck von 2.5 bar.
Stack-Stromlast
sationskurve bemerkbar. Ein nachfolgender Dichtigkeitstest, bei dem der Stack mit Stickstoff gespült wurde, während er auf den Betriebsdruck von 2,5 bar gebracht wurde, zeigte dann einen rapiden Druckverlust auf Anoden- und auch auf Ka
W
stellt. Durch den nachlassenden Verschraubungs-Anspressdruck drang Thermoöl aus den dafür vorgese-henen Kanälen in die Gasverteilerschichten. Dieser Schaden war mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht mehr zu reparieren. Daraufhin wurden alle weiteren Versuche sofort abgebrochen.
Tabelle 6.5.4-1: Versuchsparameter zur Bestimmung von stationären Betriebspunkten beim VW-HT-PEM-
30 A 40 A 45 A
Stack-Leistung 313.7 W 428.4 W 479.6 W
Stack-Spannung 10.4 V 10.7 V 10.66 V
Stack-Temperatur 134.5 °C 159.5 °C 166.5 °C
Raumtemperatur 25 °C 25 °C 25 °C
Symmetrischer Stack-Druck 2.5 bar abs. 2.5 bar abs. 2.5 bar abs.
Anoden-Stöchiometrie 1.5 1.5 1.5
Kathoden-Stöchiometrie 2.0 2.0 2.0
Wasserstoff-Norm-Volumenstrom
5.05 Nl/min 6.70 Nl/min 7.54 Nl/min Luft-Norm-Volumenstrom 15.98 Nl/min 21.28 Nl/min 23.95 Nl/min
Es wurden drei stationäre Arbeits- bzw. Betriebspunkte ermittelt, in denen sich die von der Brennstoff-zelle generierte Abwärme mit den zu- und abfließenden Wärmeströmen im Gleichgewicht befindet. Die
etriebstemperatur wird dabei vom Brennstoffzellen-Stapel selbst gehalten, ohne dass eine externe
Beheizun forde erer
Arbeitspu Ziel,
die expe atur
und der Stack-Leistung bei unterschiedlichen Stromlasten, nicht erreicht werden. In Abbildung 6.5.4-2 B
g er rlich ist. Leider konnte auf Grund eines technischen Defektes am Stack kein weit nkt ermittelt werden. Auf Grundlage von nur drei Messpunkten konnte das eigentliche rimentelle Bestimmung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der Stack-Temper
sind die ermittelten Arbeitspunkte in Abhängigkeit von Stack-Temperatur und Stack-Leistung aufge-tragen. Es lässt sich ein lineares Verhalten beobachten. Allerdings ist bei einem so geringen Da-tenbestand keine fundierte Aussage möglich; dafür bedarf es weiterer Messungen. Im Zuge dieser Mes-
6.5 Ergebnisse der HT-PEM-Stack-Leistungsmessungen 127
sungen wäre es sinnvoll, ein Elektroimpedanzspektroskop (EIS) zu verwenden. Mit Hilfe eines EIS können detaillierte Kenntnisse über das Diffusions- und Leitfähigkeitsverhalten des Stacks und über die Ionenleitfähigkeit der MEA gewonnen werden.
40 A 45 A
tionäre S W Abhä
Temperatur und Stromlasten von 30, 40 und 45 A bei konstanter Anoden- (Sa = 1.5) und Kathoden-Abbildung 6.5.4-2: Sta tack-Leistung beim V -HT-PEM-Stack in ngigkeit der
Stack-Stöchiometrie (SK= 2.0) und symmetrischem Druck von 2.5 bar abs. (ohne Befeuchtung).
Stack-Temperatur [ °C]
Stack-Lei 30 A
VW-HT-PEM-Stack 16 Zellen / 1 kW
stung [W]
Sa = 1.5, Sk = 2.0
k = 2.5 bar
a rFk = 0 % pa = p
rF =
129
7 Modellierung und numerische Simulation einer HT-PEM-Einzelzelle
Die physikalisch-chemischen Vorgänge innerhalb einer Brennstoffzelle, insbesondere die in den Kapiteln und 5 beschriebenen elektrochemischen Reaktionen und die Abläufe des Ladungs- und Stofftrans-orts, sind sehr komplex. Es ist deshalb sowohl aus physikalisch-chemischen als auch aus ökonomischen
ründen erforderlich, diese Vorgänge mit entsprechenden Computerprogrammen zu modellieren und u simulieren. Eine alleinige experimentelle Untersuchung dieser Zusammenhänge wäre mit einem nverhältnismäßig hohen zeitlichen und kostenintensiven Aufwand verbunden. Auf experimentelle ntersuchungen kann jedoch nicht verzichtet werden, deren Resultate müssen zum einen in die omputerprogramme integriert werden und zum anderen sind sie ein unverzichtbares
Evaluations-strument zur Überprüfung der Simulationsmodelle.
ie prinzipielle Vorgehensweise bei der Modellierung und Simulation beinhaltet im ersten Schritt die athematische Modellbildung, die die physikalisch-chemischen Vorgänge in der Brennstoffzelle unter erwendung von Erhaltungssätzen und Stoffgesetzen möglichst realitätsnah abbilden soll. Dabei ist unächst zu überprüfen, ob das mathematische Modell die tatsächlichen Verhältnisse korrekt wieder-ibt; d. h. ob überhaupt eine Lösung existiert und ob diese Lösung eindeutig ist. Diese Überprüfung
hließt eine Modellvalidierung mit ein, bei der überprüft werden muss, ob die mittels Computersimu-tion berechneten Daten mit Messdaten aus experimentellen Untersuchungen übereinstimmen JunLan01]. Die Modellgenauigkeit hängt dabei in entscheidender Weise von korrekten Annahmen,
igenschaften und anderen numerischen Eingabeparametern ab, die bei der Aufstellung der mathema-schen Gleichungen verwendet werden. Wenn der numerimathema-schen Berechnung kein adäquates Modell ugrunde liegt, kann auch ein noch so genaues numerisches Verfahren keine sinnvollen Ergebnisse
efern [Schäfer99].
ie Modellbildung bzw. Modellierung resultiert in der Regel neben den algebraischen Gleichungen in ystemen von Differential- und/oder Integralgleichungen, die nur mit einem geeigneten numerischen imulationsprogramm zu lösen sind. Die Implementierung des Modells erfordert somit eine geeignete umerische Simulations-Software, die das mathematische Modell durch ein geeignetes diskretes
Prob-m approxiProb-miert. Dabei Prob-müssen die zu berechnenden Größen aus einer kontinuierlichen Menge Prob-mit nendlich vielen Elementen bzw. Daten durch eine diskrete (endliche) Anzahl von Werten angenähert erden. Dieser Prozess beinhaltet die Diskretisierung des Problemgebiets und der verwendeten
mathe-atischen Gleichungen, bei dem das kontinuierliche Gebiet (in Raum und Zeit) durch eine endliche An- 4
p G z u U C in
D m V z g sc la [ E ti z li
D S S n le u w m
zahl von Teilgebieten approximiert wird, in denen dann für die unbekannten Variablen numerische
etzt. In Abbildung 7-1 ist das Fliessbild eines pischen Brennstoffzellen-Entwicklungsprozesses dargestellt. Der Entwicklungsprozess beginnt dabei
ngen oder mangelhafte Modellierungsfähigkeiten sehr zeitaufwändig werden Barbir05].
rechender Genauigkeit vorherzusagen; d.h. die Veränderung eines Parameters sollte entweder in kei- Werte bestimmt werden. Die Berechnung dieser numerischen Werte erfolgt durch die Diskretisierung der verwendeten Gleichungen. Für die Diskretisierung stehen verschiedene Verfahren, wie die Finite-Differenzen-Methode (FDM), die Finite-Volmen-Methode (FVM), die Finite-Elemente-Methode (FEM) und andere Randelemente-Methoden zur Verfügung. In der Praxis werden vorwiegend die FEM im strukturmechanischen Bereich und die FVM im strömungsmechanischen Bereich eingesetzt [SchäfVo03, SchäfÜb03].
Auf Grund der wichtigen Bedeutung der Modellierung und Simulation bei der konstruktiven Gestaltung und der Entwicklung einer Brennstoffzelle werden Modellierungs- und Simulations-Werkzeuge relativ früh im Brennstoffzellen-Entwicklungsprozess einges
ty
mit einem typischen Satz von Anforderungen, der u. a. Leistungs- und Energiebedarf, Umgebungs- und Betriebsbedingungen, Größen- und Volumen-Limitierungen und Sicherheits-Spezifikationen beinhaltet.
Verbunden mit diesen Anforderungen sind Kenntnisse über Materialien, Prozesse und Material-Interaktionen notwendig, um eine Einzel-Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellen-Stapel optimal zu konstruieren. Unter Beachtung dieser Anforderungen und Kenntnisse können jetzt verschiedene Design-Varianten erstellt werden, die mit den entsprechenden Modellierungs- und Simulations-Programmen bearbeitet werden können. Bei dieser Modellierung und Simulation soll dann das optimale Brennstoff-zellen-Design ermittelt werden. Anschließend erfolgt die Herstellung eines Prototyps, der entsprechen-den Tests und Diagnostik-Prüfungen unterzogen wird. Sind die Test-Resultate nicht zufrieentsprechen-denstellend, kann die Brennstoffzellen-Konstruktion jederzeit geändert werden und die Modellierungs- und Simula-tions-Prozedur wird von neuem durchlaufen. Dieser iterative Prozess kann unter Umständen durch zu stringente Anforderu
[
Eine erfolgreiche Brennstoffzellen-Modellierung erfordert dabei ein robustes und akkurates Modell, das relativ schnell brauchbare Berechnungsergebnisse zur Verfügung stellen kann. Dies bedeutet vor allem die Fähigkeit, die Brennstoffzellen-Leistung bzw. –Spannung in Abhängigkeit von den wichtigsten Betriebsparametern wie Temperatur, Druck, Befeuchtungsgrad, Stöchiometrie und Edukt- und Produkt-Konzentration mit hinreichender Genauigkeit vorherzusagen. Dabei muss das Modell nicht die Absolutwerte aller physikalischen Phänomene, die zu jedem beliebigem Zeitpunkt an jedem beliebigen Ort modelliert werden, akkurat berechnen, sondern das Modell muss in der Lage sein, Trends mit ent-sp
7.1 M deo ll-Geometrie und Berechnungsgebiet 131
ner, einer geringen, einer moderaten oder einer signifikanten Erhöhung oder Abnahme des Wertes eines anderen Parameters resultieren. Die verwendeten mathematischen Berechnungsgleichungen sollten dabei die physikalisch-chemischen Phänomene möglichst genau wiedergeben und sie sollten auch in der Lage sein, die Modellierungs-Resultate an die experimentellen Daten anzupassen. Korrekte Annahmen leisten dabei
Abbildung 7-1: Modellierung und Diagnostik beim Brennstoffzellen-Entwicklungsprozess [Barbir05]
einen wichtigen Beitrag zur Modellgenauigkeit [Barbir05, Gurau+98].
Das in dieser Arbeit entwickelte Brennstoffzellen-Modell ist ein zweidimensionales (2D), stationäres Modell für eine HT-PEM-Einzelzelle, das in erster Linie die charakteristische Spannungs-Stromdichte und damit die Leistungsdichte-Kennlinie in Abhängigkeit von den wichtigsten Betriebsparametern Zell-temperatur, Anoden- und Kathodendruck und Kathoden-Stöchiometrie beschreiben soll. Eine entschei-dende Vereinfachung des hier entwickelten Modells liegt dabei in der Reduktion der 3D- auf eine 2D-Simulations-Geometrie. Das 2D-Modell, das aus einer Schnittebene der 3D-Geometrie resultiert (siehe Abbildung 7.1-2), beinhaltet alle für die Modellierung und Simulation erforderlichen Gebiete der Brenn-