Ein Brennstoffzellenstack besteht aus Hunderten in Reihe geschalteter Zellen. Da der Strom durch alle fließt, begrenzt die Zelle mit der schlechtesten Leistung den gesamten Stack — und das ist meist die Zelle, die der Reaktand am wenigsten erreicht.
Ein Verteilungsproblem auf zwei Skalen
Stackebene. Die Verteilung vom Hauptverteiler auf die Zellen. Fällt der Druck längs des Verteilers ab, werden die Zellen am Ende unterversorgt. Dass der Verteilerquerschnitt gegenüber den Zellkanälen groß genug ist, ist deshalb entscheidend.
Zellebene. Die Verteilung innerhalb des Kanalmusters einer einzelnen Platte. In parallelen Kanälen kann eine Wasseransammlung einige Kanäle blockieren und die Strömung in andere umlenken; ein Serpentinenmuster verhindert das, hat aber einen hohen Druckverlust. Zwischenformen (interdigitale Muster) zwingen die Strömung durch die Gasdiffusionsschicht.
Beides sind klassische Verteilungsprobleme.
Das Wassermanagement ist die zentrale Frage
In Zellen mit Protonenaustauschmembran muss die Membran feucht bleiben, um zu leiten; entsteht an der Kathode aber zu viel Wasser, verstopft es die Poren (Flutung) und hindert den Reaktanden daran, den Katalysator zu erreichen.
Das Ziel ist deshalb nicht Trocknung, sondern innerhalb eines schmalen Feuchtebandes zu bleiben, und dieses Band verschiebt sich mit Stromdichte, Temperatur und Ort. Ein Kanal kann trocken sein, während der benachbarte geflutet ist.
Der Wassertransport findet in den porösen Schichten statt, und die Eigenschaften der porösen Medien (Porosität, Permeabilität, Benetzbarkeit) bestimmen das Ergebnis unmittelbar.
Die thermische Seite
Ein Teil des Wirkungsgrads wird zu Wärme, und die Membrantemperatur muss in einem schmalen Band gehalten werden. Die Kühlkanäle liegen in der Platte, und die Temperaturverteilung sollte auch von Zelle zu Zelle gleich sein. Das Problem ist konjugiert.
In der Modellierung werden Strömung, Speziestransport, Wasserphase und Wärme gemeinsam gelöst; die Strömungsverteilung allein zu betrachten ergibt ein unvollständiges Bild.
Referenzen
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605