Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2009 / Hergestellt on demand

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2005.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Bipolarplatten stellen eine Schlüsselkomponente hinsichtlich Fertigungskosten eines Brennstoffzellenstacks dar und sind komplexen Anforderungen ausgesetzt. Sie stützt die anderen biegeempfindlichen Stackkomponenten, verteilt die Reaktionsgase über die aktive Zellfläche und sorgt für die flächige elektrische Kontaktierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen, Ableitung der Reaktionswärme und sowie Trennung der Einzelzellen. Daher muss sie einen niedrigen Kontaktwiderstand zur benachbarten Gasdiffusionslage, hohe Biegesteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Lebensdauer der Zelle gewährleisten. Die Funktion der Gasverteilung über die aktive Zellfläche übernimmt das Flussfeld. Deren Kanalstruktur- und Geometrie beeinflusst entscheidend den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Gesamtsystems. Um Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten zu senken, ist es Ziel aktueller Forschungsarbeit, die Geometrie so einfach wie möglich zu gestalten. Dabei wird ein minimal geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen, wenn im Gegenzug die Kosten stark sinken. Mit Hilfe einer CFD-Simulation wird das Flussfeld dahingehend optimiert, die Produktion zu vereinfachen und die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Präsentation werden Modellbildung, Randbedingungen und erste Ergebnisse vorgestellt.

Getrieben durch die weltweiten Bemühungen zur CO2-Reduktion für mobile Anwendungen stellt die Brennstoffzelle als alternativer Energiewandler einen Schwerpunkt der aktuellen Forschungstätigkeit dar. Während die allgemeine Funktionstüchtigkeit bereits mehrfach durch Kleinserien verschiedener OEMs bewiesen wurde, scheitert eine breite Markteinführung nach wie vor an den hohen Fertigungskosten des Systems. Insbesondere metallisch umgeformte Bipolarplatten werden als aussichtsreiche Möglichkeit zur Kostenreduktion von Polymerelektrodenmembran (PEM)-Brennstoffzellensystemen angesehen. Den vergleichsweise günstigen Werkstoffkosten und der hohen Produktivität von Umformprozessen steht die Herausforderung gegenüber, dass Metalle in saurer Umgebung dazu neigen, in Lösung zu gehen. Die ausgeschwemmten Ionen verunreinigen die Membrane Electrode Assembly (MEA) und führen letztendlich zu deren Versagen. Daher ist eine Beschichtung zum Korrosionsschutz zwingend notwendig. Diese setzt gleichzeitig den Kontaktwiderstand herunter und erhöht den Wirkungsgrad des Systems. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein Beschichtungsprozess vor dem Umformen, auf planares Substrat zu bevorzugen, da geneigte Oberflächen diesen erschweren. Dazu muss die Voraussetzung erfüllt werden, dass die Beschichtung nach dem Umformvorgang weiterhin ausreichend Korrosionswiderstand bietet und der Kontaktwiderstand innerhalb des Zielwertes bleibt. Um ebendiese Relationen näher zu erforschen, erfolgte zunächst die Herstellung von Probekörpern mit einem definiert eingebrachten Umformgrad. Als Probenmaterial wurde eine mit amorphem Kohlenstoff beschichtete 1.4404-Metallfolie der Dicke 0,1 mm genutzt. Dazu konnte innerhalb von numerischen Berechnungen zunächst ein Spektrum verschieden ausgeprägter Umformgrade im einachsigen Zugversuch berechnet werden, während nachfolgend die experimentelle Herstellung mit Hilfe einer Zug-Druck-Prüfmaschine erfolgte. Die nachfolgend geplante Erforschung der Abhängigkeit von dem nach Department of Energy (DoE) gemessenen Korrosionsstrom führte zu umfassenden Herausforderungen bei der Erfassung der Korrosionsstromdichten. Um diese näher zu detaillieren erfolgte eine Analyse zum Aufbau der Messsysteme sowie den damit einhergehenden bereits identifizierten Problemen im Dichtkonzept. Nachfolgend wurde eine exakte Betrachtung der weiterführenden Messunsicherheiten sowie damit einhergehender Interpretationsschwierigkeiten der Messergebnisse dargestellt. Als Auswertungsgröße dienten hierfür die innerhalb der Experimente ermittelten Messkurven.

Für Brennstoffzellen wird in den kommenden Jahren ein erhebliches Marktwachstum prognostiziert. Aktuell besteht die Notwendigkeit die technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen für einen Markthochlauf zu realisieren. Hierzu müssen neue hochratenfähige Fertigungstechnologien entwickelt werden, um die Produktions- und Stückkosten zu senken. Für das Stapeln von Brennstoffzellen-Stacks sollen zukünftig mehrere entwickelte Konzepte für das „Stacking im Fließverfahren“ betrachtet und hinsichtlich ihrer Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit überprüft werden. Zusätzlich müssen hochratenfähige Prüfverfahren entwickelt werden, um eine Null-Fehler-Produktion der kostenintensiven Komponenten und Systeme zu gewährleisten. Hierbei sollen u.a. KI-basierte Technologien genutzt werden. Die Abhandlung zeigt den aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet des Stapelns und stellt innovative und zugleich wirtschaftliche technische Lösungsansätze vor, wie die Fertigungsprozesse zukünftig gestaltet werden können und welche technologischen Neuerungen dafür notwendig sein werden. Weiterhin steht die Demontage der Brennstoffzellen unter dem Aspekt einer optimalen Verwertung (Recycling) sowie insbesondere der Nachnutzung (ReUse) im Fokus der Betrachtungen. / Considerable market growth is forecast for fuel cells in the coming years. Currently, there is a need to realise the technical and economic challenges for a market ramp-up. To this end, new high-rate manufacturing technologies must be developed in order to reduce production and unit costs. For the stacking of fuel cell stacks, several developed concepts for 'stacking in a flow process' are to be considered in the future and examined with regard to their feasibility and economic efficiency. In addition, high-rate testing methods must be developed to ensure zero-defect production of the cost-intensive components and systems. Among other things, AI-based technologies are to be used here. The paper shows the current state of the art in the field of stacking and presents innovative and at the same time economical technical solution approaches, how the manufacturing processes can be designed in the future and which technological innovations will be necessary for this. Furthermore, the disassembly of the fuel cells under the aspect of optimal utilisation (recycling) as well as re-utilisation (ReUse) is the focus of the considerations.

Ziel der Arbeit war die Nutzbarmachung von Bioethanol zur Wandlung in Strom und Wärme in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle. Dazu waren neben der Entwicklung eines langzeitstabilen, effektiven Katalysators zur Synthesegaserzeugung und dessen Testung sowie der Übertragung gewonnener Erkenntnisse auf in einem Reformer einsetzbare Konzepte die Verifizierung kommerzieller Katalysatorsysteme für die partielle Oxidation von Ethanol notwendig. Außerdem ist für die Entwicklung eines ethanolbetriebenen SOFC-Systems eine pulsations- und ablagerungsfreie Verdampfung von unvergälltem und vergälltem Ethanol – welche nicht Stand der Technik ist – erforderlich, für die ein geeignetes Verdampferkonzept entwickelt und getestet wurde. Experimentell konnte die Betreibbarkeit eines SOFC-Systems mit Ethanol an einem für den Betrieb mit LPG ausgelegten System nachgewiesen werden.

Drei Wasserstoffgenerator-Systeme (WGS) auf Basis chemischer Hydride wurden in dieser Arbeit als Labormuster ausgelegt, gefertigt und in ihren Betriebseigenschaften analysiert. Es wurden ein 20 W-WGS und zwei 100 W-WGS untersucht. Als chemische Hydride wurden Amminboran und Natriumborhydrid ausgewählt. Aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Lagerfähigkeit, ihren moderaten Freisetzungsbedingungen und ihrer volumetrisch wie gravimetrisch hohen Wasserstoffdichten erschienen sie in besonderer Weise geeignet für Wasserstoffgeneratoren im Kleinleistungsbereich. Zwar zeigen diese chemischen Hydride zurzeit hinsichtlich ihrer Kosten, ihrer Energieeffizienz bei der Herstellung und ihrer Umweltverträglichkeit keine Vorteile gegenüber verdichtetem Wasserstoff, jedoch besitzen sie mit ihrer hohen, auf das Hydrid bezogenen Energiedichte ein positives Alleinstellungsmerkmal. Bei der Entwicklung der WGS standen daher neben der Betriebszuverlässigkeit und Regelbarkeit die Optimierung der systembezogenen Energiedichte WGS im Fokus.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine simulationsbasierte Untersuchung des Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems mit besonderem Fokus auf den Wasserhaushalt zu ermöglichen. In PEM-Brennstoffzellen sind die Wechselwirkungen in Bezug auf den Feuchtehaushalt z.B. von Transportmechanismen, Degradation und Leistung abhängig. Im PEM-Brennstoffzellensystem werden die Wechselwirkungen der Feuchte durch eine mögliche Rezirkulation und/oder eine passive Befeuchtung der Kathode erweitert, Um diese Abhängigkeiten korrekt darzustellen, wurde ein PEM-Brennstoffzellen Stack-Modell entwickelt, das einerseits einen hohen Grad an Detailtreue und andererseits hohe Anforderungen an die Laufzeit erfüllt, um akzeptable Simulationszeiten für Brennstoffzellensystemsimulationen zu ermöglichen. Der Kern des Modells ist eine neuartige 2-D + 1-D Struktur, die flächenspezifische Bedingungen, wie z.B. trockene Kathodeneinlass- und feuchte Kathodenauslassbedingungen in Abhängigkeit von Gleich- oder Gegenstromstrukturen, löst. Um diesen Anforderungen an die Laufzeit gerecht zu werden, wurde ein numerischer Löser entwickelt, der speziell an die Struktur und den Inhalt angepasst ist. Das Brennstoffzellenmodell und dessen Möglichkeiten zur Integration in eine Systemsimulation werden in dieser Arbeit vorgestellt. / The aim of this work is to enable simulation based investigation of the operation of a PEM fuel cell system, with the special focus on its water management. For PEM fuel cells their multi-level interaction regarding humidity is characteristic depending e.g. on transport mechanisms, degradation and performance. In the PEM fuel cell system, the interaction of the humidity is further enhanced by a possible recirculation and passive humidification systems of the cathode. In order to display these dependencies correctly, a PEM fuel cell stack model has been developed, which on the one hand meets high degree of resulting details and on the other hand meets high requirements concerning its runtime, to enable acceptable simulation times for fuel cell system simulations. The core of the model is a novel 2-D + 1-D structure that resolves area specific conditions, such as dry cathode inlet and wet cathode outlet conditions in dependence of co- or counter flow fields. To meet those requirements regarding its runtime a numerical solver has been developed that is specially adapted to the structure and content. The fuel cell model as well as its possibilities with respect to the integration in system simulation is presented in this work.

In dieser Veröffentlichung wird ein methodischer Syntheseansatz aufgeführt, welcher in einem frühen Entwicklungsstadium zu einer ganzheitlichen Vorbetrachtung möglicher Konzeptvarianten befähigt. Hierfür werden zunächst parametrisierte Gleichungen zur Beschreibung von Flussfeldstrukturen und der Kanalquerschnittskonturen hergeleitet. Mithilfe dieser wird im Rahmen des Synthesealgorithmus die automatisierte Generierung und Berechnung möglicher Konzeptvarianten gewährleistet. Abschließend wird der Synthesealgorithmus im Rahmen einer beispielhaften Parameterstudie verdeutlicht. Hierfür wird ein Anforderungsprofil definiert. Die Ergebnisse der Parameterstudie werden aufgeführt und bewertet. Aus einer exemplarischen Nutzwertanalyse auf Basis ausgewählter Vergleichskriterien resultiert am Ende eine Bestvariante, welche für weitere Entwicklungsschritte herangezogen werden kann.