Bei der Konstruktion und Entwicklung eines Brennstoffzellenstapels ist die Ausgangsspannung einer einzelnen Brennstoffzelle typischerweise niedrig, normalerweise zwischen 0,6V und 0,8V, sodass der Strom- und Leistungsabgabe einer einzelnen Batterie relativ begrenzt sind. Um den höheren Spannungs- und Leistungsanforderungen in praktischen Anwendungen wie beispielsweise im Fahrzeugantrieb oder in Stromerzeugungssystemen gerecht zu werden, werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet, um die Gesamtspannung zu erhöhen und die Gesamtleistung zu verbessern.
Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus mehreren in Serie geschalteten einzelnen Batterien, wobei die Kathode jeder einzelnen Batterie mit der Anode der benachbarten einzelnen Batterie verbunden ist, wodurch ein geschlossener Stromkreis entsteht. Elektronen fließen durch die festen Teile des Brennstoffzellenstapels (einschließlich externer Stromkreise), während Ionen durch das Elektrolyt (Protonenaustauschmembran) fließen und an den Grenzflächen (Katalysatorschichten) elektrochemische Reaktionen eingehen. Dieses strukturelle Design stellt die Konsistenz des Stroms innerhalb jeder einzelnen Batterie sicher, was die Gesamtstabilität des Systems verbessert.
Diese Serienstapelungsmethode bietet große Flexibilität, da die Skalierung und Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden können. Beispielsweise kann durch die Erhöhung der Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen die Leistungsabgabe des Systems gesteigert werden, um die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungsszenarien zu erfüllen. Darüber hinaus ermöglicht diese Stapelungsmethode eine effizientere Brennstoffnutzung und verbessert die Gesamteffizienz des Systems. Bei der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels ist die Optimierung der Stromverteilung und des Wärmemanagements entscheidend, da dies den Energieverlust reduzieren und die Gesamtleistung verbessern kann.
Die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels umfassen die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), Bipolarplatten, Sammelschienen (an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels) und Dichtungen, die die MEA umgeben. Der gesamte Brennstoffzellenstapel wird durch Zugstangen, Bolzen oder Bänder zusammengehalten, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten.
Die folgenden wichtigen Funktionen sollten bei der Konstruktion eines Brennstoffzellenstapels berücksichtigt werden:
1. Gleichmäßige Verteilung der Reaktanten zu jeder einzelnen Batterie
2. Gleichmäßige Verteilung der Reaktanten innerhalb jeder Batterie
3. Aufrechterhaltung der für den Betrieb jeder einzelnen Batterie erforderlichen Temperatur
4. Minimierung des Widerstandsverlustes (Materialauswahl, Konfiguration, gleichmäßiger Kontaktdruck)
5. Keine Leckage von Reaktantengasen (interne oder externe Leckage zwischen einzelnen Batterien)
6. Mechanische Festigkeit (einschließlich des inneren Drucks aufgrund thermischer Ausdehnung, äußerer Kräfte während des Handlings und Betriebs, einschließlich Schock und Vibration)
1.1 Gleichmäßige Verteilung der Reaktanten zu jeder einzelnen Batterie
Da die Leistung von Brennstoffzellen sehr empfindlich auf die Flussrate der Reaktanten reagiert, ist es entscheidend, dass jede einzelne Batterie im Brennstoffzellenstapel ungefähr den gleichen Reaktantenfluss erhält. Diese Gleichmäßigkeit kann erreicht werden, indem Reaktanten über parallele externe oder interne Sammler zu jeder einzelnen Batterie im Brennstoffzellenstapel geleitet werden. In der Praxis werden bei PEM-Brennstoffzellendesigns häufiger interne Sammler verwendet, hauptsächlich weil sie eine bessere Abdichtungsleistung und größere Flexibilität bei der Luftstromkonfiguration bieten.
Die Größe der Sammler, die die ungenutzten Gase liefern und sammeln, muss entsprechend dimensioniert werden. Der Querschnittsbereich der Sammler bestimmt die Gasflussrate und den Druckabfall. Als allgemeine Regel sollte der Druckabfall durch die Sammler um eine Größenordnung geringer sein als der Druckabfall über jede einzelne Batterie, um sicherzustellen, dass der Reaktantenfluss gleichmäßig zu jeder einzelnen Batterie verteilt wird.
Das Luftstrommuster im Brennstoffzellenstapel kann entweder in U-Form oder Z-Form konfiguriert werden. In der U-Form-Konfiguration befinden sich der Einlass und der Auslass auf derselben Seite des Brennstoffzellenstapels, wobei die Flussrichtungen einander entgegengesetzt sind (wie im Diagramm gezeigt).
In der Z-Form-Konfiguration befinden sich der Einlass und der Auslass auf gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels, wobei die Flussrichtungen parallel zueinander verlaufen (wie im Diagramm gezeigt).
Beide Konfigurationen können sicherstellen, dass die Reaktanten gleichmäßig zu jeder einzelnen Batterie verteilt werden, vorausgesetzt, die Dimensionen sind entsprechend ausgelegt.
In beiden U-Form- und Z-Form-Konfigurationen ist der Reaktantenfluss innerhalb jeder einzelnen Batterie parallel. Eine Z-Form-Konfiguration kann jedoch auch verwendet werden, wenn die einzelnen Batterien im Brennstoffzellenstapel in Segmenten angeordnet sind, wobei die Gaszufuhr parallel erfolgt, aber in Reihe geschaltet ist. In diesem Fall wird das Gas, das den ersten Abschnitt verlässt, in die einzelnen Batterien des zweiten Abschnitts geleitet (wie im Diagramm gezeigt).
Diese Parallel-Serien-Anordnung ermöglicht es allen Zellen im Brennstoffzellenstapel, mit einem höheren stöchiometrischen Verhältnis zu arbeiten, was sie effektiver macht als eine rein parallele Gasversorgungsmethode.
1.2 Gleichmäßige Verteilung der Reaktanten innerhalb jeder einzelnen Batterie
In einem Brennstoffzellenstapel müssen die Reaktantengase, sobald sie in eine einzelne Batterie eintreten, gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche verteilt werden. Dies wird typischerweise durch die Gestaltung spezifischer Strömungsfeldmuster oder die Verwendung von Kanälen mit porösen Strukturen erreicht. Die folgenden sind Schlüsselfaktoren beim Design des Strömungsfeldes:
1.2.1 Form des Strömungsfeldes
Die Form und Größe des Strömungsfeldes variieren je nach Lage der Einlass- und Auslassverteiler, den Anforderungen des Strömungsfelddesigns, den Bedürfnissen des Wärmemanagements und den Herstellungsbeschränkungen. Häufige Formen von Strömungsfeldern sind quadratisch und rechteckig, aber auch kreisförmige, sechseckige und achteckige Formen werden verwendet.
1.2.2 Strömungsrichtung
Die Richtung des Strömungsfeldes und die Positionierung der Einlass- und Auslassverteiler sind besonders wichtig, vor allem im Hinblick auf die Kondensatbildung. Während der Einfluss der Schwerkraft auf Reaktantengase vernachlässigbar ist, beeinflusst sie jedoch die Bewegung des Wassers. In der Praxis muss die Richtung des Strömungsfeldes die Betriebsbedingungen sowie die Wasseransammlung nach dem Abschalten berücksichtigen.
1.2.3 Konfiguration der Kanäle
Verschiedene Kanalkonfigurationen werden in PEM-Brennstoffzellen verwendet, um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktantengase und eine effiziente Entfernung des Reaktionsprodukts – Wasser – zu gewährleisten. Im Folgenden werden einige gängige Strömungskanaldesigns sowie deren Vor- und Nachteile aufgeführt:
Einzelkanal-Schlangenströmungsfeld: Geeignet für kleine aktive Flächen. Obwohl die Reaktantenkonzentration entlang des Kanals allmählich abnimmt, sorgt dieses Design für eine vollständige Abdeckung der Fläche. Der Druckabfall unterstützt die Wasserentfernung, erhöht jedoch den Energieverbrauch.
Mehrkanal-Schlangenströmungsfeld: Besser geeignet für große Strömungsfelder, verwendet dieses Design parallele Kanäle und behält die Vorteile der Wasserentfernung des Schlangenströmungsfeldes bei, während das Risiko von Druckverlust und Energieverlust verringert wird.
Gespiegeltes Schlangenströmungsfeld: Durch die Gestaltung benachbarter Kanäle als Spiegelbilder voneinander wird in dieser Konfiguration der Druck effektiv ausgeglichen und die Umgehungseffekte reduziert, was sie besonders für große Strömungsfelder mit mehreren Ein- und Auslässen geeignet macht.
Interdigitales Strömungsfeld: Dieses Design verwendet unterbrochene Kanäle, die das Gas durch die Diffusionsschicht zwingen und so die Nutzung der Katalysatorschicht und die Leistungsdichte erhöhen. Es erfordert jedoch einen höheren Eingangsdruck, und ein unsachgemäßes Design kann das Risiko von Kurzschlüssen erhöhen.
Biomimetische und fraktale Strömungsfelder: Diese Designs ahmen verzweigte Strukturen aus der Natur nach und erreichen eine gleichmäßige Gasverteilung durch mehrstufige Kanalverteilungen, was sie für komplexe und hochanspruchsvolle Strömungsfelddesigns geeignet macht.
1.2.4 Form, Größe und Abstand der Kanäle
Die Form der Strömungskanäle kann stark variieren und wird oft eher durch Fertigungsprozesse als durch rein funktionales Design eingeschränkt. Beispielsweise ist es schwierig, leicht konische Kanäle präzise zu bearbeiten. Die Geometrie der Kanäle hat jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Wasseransammlung und -ableitung. In Kanälen mit abgerundetem Boden neigt kondensiertes Wasser dazu, einen Wasserfilm am Boden zu bilden, während in konischen Kanälen eher kleine Tröpfchen entstehen, wie unten dargestellt:
Die scharfen Ecken am Boden der Kanäle können die Oberflächenspannung des Wasserfilms stören und dessen Bildung verringern, wodurch die Kanäle freigehalten werden.
Typische Kanalbreiten betragen etwa 1 Millimeter, aber in verschiedenen Designs kann diese Breite von 0,4 Millimeter bis 4 Millimeter variieren. Mit Fortschritten in der Mikrofabrikationstechnologie können sogar Kanäle mit einer Breite von 0,1 Millimetern oder weniger hergestellt werden. Die Größe und der Abstand der Kanäle beeinflussen direkt die folgenden Aspekte:
· Kontakt der Reaktantengase mit der Gasdiffusionsschicht: Je breiter der Kanal, desto größer ist die direkte Kontaktfläche zwischen den Reaktantengasen und der Gasdiffusionsschicht, was auch eine größere Entwässerungsfläche bedeutet. Folglich sind die Sauerstoffkonzentration und die Stromdichte über den Kanälen höher und in den Bereichen dazwischen niedriger.
· Leitung von Strom und Wärme: Ein größerer Kanalabstand trägt zur Verbesserung der Effizienz der Strom- und Wärmeabsorption bei. Dieses Design reduziert jedoch die Fläche des direkten Kontakts mit den Reaktantengasen, was das Risiko der Wasseransammlung in diesen Bereichen erhöht.
Obwohl breite Kanäle die Gastransporteffizienz verbessern können, könnte die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bei zu breiten Kanälen möglicherweise nicht ausreichend unterstützt werden und in die Kanäle hineinrutschen, oder die Gasdiffusionsschicht könnte unter übermäßiger Belastung zusammenbrechen. Daher erfordert das Design der optimalen Kanalgröße und des optimalen Kanalabstands ein Gleichgewicht zwischen den folgenden Faktoren: Maximierung der Kontaktfläche zwischen den Reaktantengasen und der Gasdiffusionsschicht, Bereitstellung einer ausreichenden mechanischen Unterstützung für die MEA und Gewährleistung einer effizienten Leitung von Strom und Wärme.
1.3 Kühlung des Brennstoffzellenstapels
Um die optimale Betriebstemperatur von Brennstoffzellen aufrechtzuerhalten, ist es entscheidend, die während der elektrochemischen Reaktionen erzeugte Wärme effektiv abzuführen. Ein Teil dieser Wärme geht durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung verloren, während ein anderer Teil von den Reaktantengasen und dem produzierten Wasser abgeführt wird. Der Großteil der Wärme muss jedoch durch ein aktives Kühlsystem abgeführt werden. Das untenstehende Diagramm zeigt verschiedene Strategien des Wärmemanagements.
1.3.1 Kühlung durch strömendes Kühlmittel zwischen den Zellen
Das Kühlmittel kann deionisiertes Wasser, Frostschutzmittel oder Luft sein. Das Kühlsystem kann zwischen jeder einzelnen Batterie, zwischen Paaren von einzelnen Batterien (bei denen die Kathode einer Batterie an die Anode einer anderen angrenzt und in der Nähe des Kühlgeräts positioniert ist) oder zwischen Gruppen von einzelnen Batterien angeordnet werden (was nur für Anwendungen mit niedriger Leistungsdichte geeignet ist, da diese Anordnung dazu führen könnte, dass die zentralen einzelnen Batterien überhitzen). Die gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels kann durch ein Verteilsystem erreicht werden, das dem für die Reaktantengase ähnelt. Wird Luft als Kühlmittel verwendet, kann ein Plenum für eine gleichmäßige Verteilung sorgen.
1.3.2 Kühlung mit Kühlmittel an den Rändern der aktiven Fläche
Bei dieser Methode wird die Wärme durch die Bipolarplatte geleitet und an das Kühlmittel (normalerweise Luft) abgegeben. Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der aktiven Fläche zu gewährleisten, muss die Bipolarplatte eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Da die Wärmeübertragungsfläche an den Randflächen möglicherweise nicht ausreicht, können Kühlrippen erforderlich sein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Obwohl diese Kühlmethode die Struktur des Brennstoffzellenstapels vereinfacht und die Anzahl der Komponenten reduziert, ist sie aufgrund der Einschränkungen bei der Wärmeleitung im Allgemeinen für Anwendungen mit niedriger Leistungsausgabe geeignet.
1.3.3 Kühlung durch Phasenwechsel
Das Kühlmittel für den Phasenwechsel kann Wasser oder andere Phasenwechselmaterialien sein. Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel kann das Design des Brennstoffzellenstapels vereinfachen, da in den Anoden- und Kathodenkammern bereits Wasser als Kühlmedium verwendet wird. Diese Methode absorbiert und überträgt Wärme effektiv durch den Phasenwechselprozess des Kühlmittels.
1.3.4 Kühlung durch Reaktionsluft
In der Kathodenkammer strömt Luft mit einem stöchiometrischen Verhältnis, das über dem für Sauerstoff erforderlichen liegt, wodurch eine Kühlung gewährleistet wird. Theoretisch kann diese strömende Luft als Kühlmittel verwendet werden, aber um die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Wärme effektiv abzuführen, muss die Luftströmungsrate erheblich erhöht werden. Das erforderliche stöchiometrische Verhältnis kann durch eine einfache Wärmebilanzberechnung ermittelt werden, um sicherzustellen, dass die von den Brennstoffzellen erzeugte Wärme der von der Luft abgeführten Wärme entspricht.
1.4 Kompressionsmethoden für Brennstoffzellenstapel
In einem Brennstoffzellenstapel müssen alle Komponenten wie die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die Gasdiffusionsschicht und die Bipolarplatte mit einem geeigneten Kontaktdruck zusammengehalten werden, um das Austreten von Reaktanten zu verhindern und den Kontaktwiderstand an den Schnittstellen zu minimieren. Üblicherweise werden die gestapelten Komponenten zwischen zwei Endplatten platziert und mit Zugstangen gesichert, die entweder das Äußere des Stapels umgeben oder in einigen Fällen durch das Innere des Stapels führen. Neben Zugstangen können auch andere Kompressions- und Befestigungsvorrichtungen wie Schnappverbindungen oder Gurte verwendet werden.
Die Klemmkraft muss folgende Anforderungen erfüllen: Zunächst sollte sie stark genug sein, um die Dichtungen zu komprimieren, dann die Gasdiffusionsschicht und schließlich dem inneren Betriebsdruck widerstehen. Der Druck, der erforderlich ist, um ein Auslaufen zwischen den Schichten zu verhindern, hängt vom Material und Design der Dichtungen ab. Dichtungen für Brennstoffzellen bestehen aus verschiedenen Materialien, die von Gummi bis zu proprietären Polymeren reichen. Auch die Designs variieren zwischen den Herstellern; Dichtungen können flach oder geformt sein und sie können separate Komponenten oder in die Bipolarplatte oder Gasdiffusionsschicht integriert sein.
Wird um den Umfang herum übermäßige Kraft angewendet, kann dies dazu führen, dass sich die Endplatten biegen, was die Kompression im aktiven Bereich beeinflussen kann, wie im folgenden Diagramm gezeigt:
Die Verteilung der Klemmkraft kann mit druckempfindlichem Film (der nur die maximal aufgebrachte Kraft aufzeichnet) oder druckempfindlichen elektronischen Pads überwacht werden, wodurch eine Echtzeitüberwachung während der Montage möglich ist. Um ein Verbiegen der Endplatten zu verhindern, muss das Design sicherstellen, dass die Endplatten ausreichend steif sind. Außerdem können Endplatten mit hydraulischen oder pneumatischen Kolben verwendet werden, um gleichmäßigen Druck über den gesamten aktiven Bereich auszuüben. Eine weitere Designoption besteht darin, Zugstangen durch die Mitte der Endplatten zu führen und das Strömungsfeld um die Zugstangen herum anzuordnen.
Um den Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Bipolarplatte zu minimieren, ist ein Druck von 1,5-2,0 MPa erforderlich. Da die Gasdiffusionsschicht komprimierbar ist, muss die erforderliche Kompression durch das Zelldesign bestimmt werden. Dies kann durch eine präzise Anpassung der Dicke der Anschläge oder Nuten an der Gasdiffusionsschicht, den Dichtungen und den Bipolarplatten erreicht werden.
Es ist wichtig zu beachten, dass bei übermäßiger Kompression die Gasdiffusionsschicht zusammenbrechen und ihre Hauptfunktion – die Durchlässigkeit für Gase und Wasser – verlieren kann. Das optimale Kompressionsverhältnis sollte experimentell bestimmt werden, um die effektive Funktionalität jedes Gasdiffusionsmediums zu gewährleisten.
Zusammenfassung:
Aus struktureller Sicht ist der Brennstoffzellenstapel ein relativ einfaches Gerät, da er aus mehreren in Reihe geschalteten einzelnen Batterien besteht. Jede einzelne Batterie besteht aus einer Bipolarplatte, einer Gasdiffusionsschicht, einer Katalysatorschicht und einer Protonenaustauschmembran, die eine einfache Schichtstruktur bilden, die scheinbar leicht zu erreichen ist. Aus funktionaler Sicht handelt es sich jedoch um ein hochkomplexes Gerät. Der Brennstoffzellenstapel muss den Gasfluss, den Wärmetransfer und die Stromverteilung in einem begrenzten Raum effektiv verwalten, während er eine gleichmäßige Verteilung von Reaktanten und Produkten gewährleistet und gleichzeitig eine gute Abdichtung und mechanische Festigkeit unter wechselnden Betriebsbedingungen aufrechterhält.
Um diese vielfältigen Anforderungen zu erfüllen, erfordert das Design des Brennstoffzellenstapels eine präzise Materialauswahl, die Optimierung der geometrischen Konstruktion sowie ausgeklügelte Strategien für das Wärmemanagement und die Kompression. Jede Komponente muss nicht nur das optimale Gleichgewicht in Größe und Abstand erreichen, sondern auch langanhaltend hocheffiziente elektrochemische Reaktionen ermöglichen. Besonders bei der Steuerung des Kontaktdrucks zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Bipolarplatte sowie der Optimierung des Kühlsystems sind umfangreiche Experimente und Validierungen erforderlich, um die Stabilität und Effizienz des gesamten Systems zu gewährleisten.
Obwohl die grundlegende Konstruktion eines Brennstoffzellenstapels einfach erscheinen mag, ist die zugrunde liegende Design- und Ingenieurarbeit äußerst komplex und präzise. Jede Designentscheidung kann die Leistung, Lebensdauer und Effizienz des Stapels erheblich beeinflussen, wodurch der Brennstoffzellenstapel zu einem wahren Beispiel für technologischen und ingenieurtechnischen Einfallsreichtum wird.
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