ISBN 978-3-8439-2441-2

978-3-8439-2441-2, Reihe Verfahrenstechnik

Sebastian Lang
Entwicklung tubularer Mitteltemperatur-Brennstoffzellen - Experimentelle Untersuchungen, Modellierung und numerische Simulation

265 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2015), Hardcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine tubulare Mitteltemperatur-Brennstoffzelle auf Basis der Polybenzimidazol(PBI)/Phosphorsäure-Membrantechnologie entwickelt, experimentell untersucht und in einer numerischen Simulation modelliert. Derartige Brennstoffzellen können ohne aufwendige CO-Feinreinigung mit Reformatgas betrieben werden und erfordern kein komplexes Wassermanagement, liefern jedoch relativ geringe flächenspezifische Leistungsdichten. Das entwickelte tubulare Design bietet gegenüber der konventionellen Stapelkonstruktionsweise Vorteile hinsichtlich potenziell höherer volumetrischer Leistungsdichten. Insgesamt wurden ca. 50 tubulare Hochtemperatur(HT)-PEM-Brennstoffzellen präpariert und untersucht. Die porösen Trägerelektroden wurden dabei aus Edelstahl (1.4542) mit Hilfe eines patentierten 3D-Druckverfahrens (SLM) gefertigt. Neben den bei der Präparation eingesetzten Materialien wurden auch die tubularen Einzelzellen einer eingehenden Charakterisierung unterzogen. Dabei wurden bildgebende Verfahren, wie die Tomo- und Materialografie sowie elektrochemische Methoden u.a. in Langzeitversuchen (1175 h) eingesetzt. Die Experimente am Brennstoffzellenprüfstand haben gezeigt, dass funktionstüchtige tubulare Brennstoffzellen mit maximalen flächenspezifischen Leistungsdichten von etwa 100 mW/cm2 präpariert werden konnten. Die in den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse dienten als Grundlage für die Entwicklung und Validierung eines numerischen Simulationsmodells. Dabei handelt es sich um ein zweidimensionales kontinuumsmechanisches Modell auf der makroskopischen Ebene, bei dem die porösen Berechnungsdomänen unter Ausnutzung der Rotationssymmetrie als homogene Schichten abgebildet werden. Das Modell ist in der Lage den diffusiven transmembranen Wassertransport und die Volumenänderung mit den einhergehenden Effekten auf die Verteilung des Elektrolyten innerhalb der katalytischen Schichten sowie auf die Reaktionskinetik und den Stofftransport abzubilden. Das Simulationsmodell beschreibt mit guter Genauigkeit die Abhängigkeiten des Betriebsverhaltens der tubularen Brennstoffzelle. Anhand des Modells wurden Analysen bzgl. der Sensitivität, der Optimierung des Leistungs- und des Langzeitverhaltens durchgeführt um Entwicklungspotentiale aufzuzeigen. Das Modell konnte damit seine Anwendbarkeit für die virtuelle Produktentwicklung unter Beweis stellen, was eine der Zielsetzungen dieser Arbeit war.