Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/396
Title: Cooling Strategies for PEM FC Stacks
Other Titles: Konzepte zur Kühlung von PEM-Brennstoffzellen
Authors: Hashmi, Syed Mushahid Hussain 
Language: en
Subject (DDC): Ingenieurwissenschaften
Subject: PEM Fuel Cell Stack
Temperature Distribution
Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle
Numerische Strömungssimulation
Temperaturverteilung
Issue Date: 2010
Publisher: Universitätsbibliothek der HSU/UniBwH
Document Type: Thesis
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
Die Brennstoffzelle ist nach wie vor ein zukunftsträchtiger Baustein in einer effizienten und nachhaltigen Energiewandlungskette. Unter den verschiednen Brenstoffzellen-Varianten ist der Polymerelektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM FC) der Kandidat für Fahrzeuge und mobile Anwendungen, da deren Betriebstemperaturen im Bereich 80°C – 180°C liegen. Wie alle Brennstoffzellen wandeln PEMFCs die innere chemische Energie eines wasserstoffreichen Brenngases in elektrische Energie um, wobei als Neben-bzw. Reaktionsprodukt Wärmeenergie und Wasser anfallen. Die anfallende Wärme ist zum einen der reversiblen thermodynamischen Reaktionsentropie zu zuordnen, zum anderen größeren Teil den irreversiblen Transportmechanismen in der Brennstoffzelle. Zur Abfuhr dieser Wärme ist eine effiziente Kühlstrategie erforderlich.--- Diese Dissertation untersucht unterschiedliche Kühlstrategien zur effizienten Wärmeabfuhr einer PEM-Brennstoffzelle, um die innere Temperatur zuverlässig unterhalb zulässiger Grenztemperaturen und örtlich möglichst gleichverteilt zu halten. Hierzu werden zunächst die Größe und die Verteilung der Wärmequellen und Verlustmechanismen in der Brennstoffzelle dargestellt. Die Wärmeerzeugung durch die Transportmechanismen ist durch die Thermodynamik der irreversiblen Prozesse zugänglich. Ein bisher ungelöstes Problem ist aber die Zuordnung der Reaktionsentropie der elektrochemischen Reaktionen auf die Anode und die Kathode. Diese Unsicherheit limitiert die Belastbarkeit bisher bekannter Berechnungsmodelle zur Temperaturverteilung in PEM-Brennstoffzellen.--- Eine detaillierte ganzheitliche dreidimensionale numerische Simulation einer PEMFC in kommerzieller Größe ist noch nicht möglich, so dass das Temperaturfeld in zwei Stufen berechnet werden muss. In der ersten Stufe wird eine einzelne Zelle in größtmöglicher dreidimensionaler Modellierung betrachtet und die hier auftretenden Wärmequellen und Temperaturfelder berechnet. Für die hierzu notwednige Kenntnis der lokalen Stromdichte werden zwei unterschiedliche Verteilung zugrunde gelegt. In einer zweiten Stufe wird aus diesem detailliertem Modell ein vereinfachtes Modell der Einzelzelle erstellt, welches die lokalen Wärmequellen richtig wieder gibt aber eine Simulation mit bis zu 100 Zellen erlaubt.--- Gößere PEM-Brennstoffzellen sind in aller Regel flüssigkeitsgekühlt. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Kanalgeometrien für die Führung der Kühlflüssigkeit untersucht und die daraus resultierenden Temperaturfelder mit einem Ansatz zum konjugiertem Wärmeübergang berechnet. Zur Optimierung der Kanalkonfiguration in Bezug auf Wärmeübertragung und minimalem Druckverlust wird die Entropieerzeugungsrate herangezogen. Die Temperaturverteilung kann, wie in der Arbeit gezeigt wird, durch eine optimierte Stromführung homogenisiert werden. Die numerischen Berechnungsmethoden werden anhand zweier literaturbekannter Benchmark-Probleme validiert. Zusätzlich werden die Berechnungsansätze mit experimentellen Daten aus einer aus vier Zellen bestehenden PEMLaborbrennstoffzelle verglichen. Durch eine Vielzahl an Temperaturmessstellen kann schon bei der kleinen aktiven Elektrodenfläche von 25 cm2 eine deutlich örtliche Temperaturverteilung nachgewiesen werden, wie sie auch in dem numerischen Modell dieser Zelle berechnet wird.--- Insgesamt werden Berechnungen für PEMFC kommerzieller Größe mit Kühleinschüben nach jeder, nach drei und nach fünf Einzelzellen numerisch untersucht und diskutiert. Die Homogenität des Temperaturfeldes in der Brennstoffzelle muss gegen den zusätzlichen Aufwand von Kühleinschüben abgewogen werden, da diese Homogenität für die Belastbarkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle von großer Bedeutung ist. Hierzu stellt die Arbeit die notwendigen Auslegungs- und Optimierungskriterien bereit.
Organization Units (connected with the publication): Thermodynamik 
DOI: https://doi.org/10.24405/396
URL: http://edoc.sub.uni-hamburg.de/hsu/volltexte/2010/2456/
Advisor: Kabelac, Stephan 
Referee: Niemeyer, Bernd
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2010-03-15
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