Flow-Field Design

In Brennstoffzellen sind Strömungsfeldplatten so dimensioniert, sodass eine bestimmte Menge an Reaktanten (Wasserstoff und Sauerstoff) zur Katalysatoroberfläche und Gasdiffusionsschicht (GDL) gelangt und zugleich der Druckabfall minimiert wird. Die geläufigsten Kanalgeometrien bzw. Kanalkonfigurationen für PEM-Brennstoffzellen sind Parallel-, Serpentinen- und Interdigitalströmung. Manche Brennstoffzellen verwenden kein Strömungsfeld, um Wasserstoff und Luft zu verteilen, da diese auf Diffusionsprozesse aus der Umgebung beruhen. In der Regel wird für kleinere Brennstoffzellen eine Serpentinenanordnung für die Anode gewählt, weil die Wasserstoffreaktion nicht geschwindigkeitsbeschränkt ist und eine Wasserstoffblockade in der Anode auftreten kann.

Der geometrische Aufbau eines Serpentinenströmungsfeld ist in Abbildung 1 ersichtlich dargestellt. Von Anfang bis Ende ist der Fließweg durchgängig, um für eine effiziente Verteilung des Flusses über die Elektrodenfläche der Brennstoffzelle zu erzielen. Es kann bei dieser Konstruktion zu Druckverlusten im Strömungskanal aufgrund des langen Fließweges kommen. Es werden alternative Serpentinendesign für den Betrieb mit hohen Stromdichten, großen Platten oder bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel eingesetzt. Durch den serpentinenförmigen Strömungsweg können Hindernisse im Strömungsweg nicht die gesamte stromabwärtige Aktivität behindern, was ein Vorteil ist. Ein Nachteil der Serpentinengeometrie ist es, dass das chemisches Reaktionsmittel auf der Gesamtlänger des Strömungskanal gebraucht wird, es muss daher genügend Menge an Gas bereitgestellt werden. Sobald Luft als Oxidationsmittel verwendet wird, kann es zu Problemen mit dem Zellwassermanagement und mit der Verteilung des Kathodengasstromes kommen. Sobald die Brennstoffzelle über längere Zeit betrieben wird, kommt es zu Ansammlungen von Wasser an der Kathode. Um das Wasser zu entfernen wird Druck benötigt, um das Wasser aus den Kanälen auszuspülen.

Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren Serpentinenströmungskanälen. Bei diesem Modell werden mehrere Strömungskanäle verwendet, um den Druckabfall zu limitieren und für die Druckbeaufschlagung der Luft durch einen einzigen Strömungskanal erforderliche Energiemenge zu verkleinern. Zudem verhindert diese Konstruktion die Bildung eines stagnierenden Bereiches an der Kathodenoberfläche aufgrund von Wasseransammlungen in den Kanälen. Der Druckverlust des Reaktanden durch die Strömungskanäle ist geringer als bei Verwendung von einem Strömungskanal (wie Abbildung 1). Aufgrund des langen Strömungsweg ist der Druckabfall trotzdem noch signifikant hoch.

Abbildung 3 zeigt eine parallele Anordnung der Strömungskanäle. Die Strömungskanäle benötigen in dieser Variation einen geringeren Massenstrom pro Kanal und erzeugen eine gleichmäßige Gasverteilung mit weniger Druckverlust. Bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel, können nach längerer Betriebszeit niedrige und instabile Zellspannungen aufgrund von Wasseransammlungen und der Kathoden-Brennstoffverteilung auftreten. Es kommt zu Wasseransammlungen in den Strömungskanälen bei kontinuierlichem Betrieb der Brennstoffzelle. Ein Nachteil von paralleler Anordnung ist es, dass eine Verstopfung in einem Strömungskanal zu einer Änderung der Strömung in den anderen Kanälen kommt. Dies führt zu einer toten Zone stromabwärts an der Stelle, an welcher die Verstopfung vorliegt. Die Wassermenge in den einzelnen Kanälen kann unterschiedlich sein, was zu einer ungleichen Gasverteilung führt.  Ein weiterer Nachteil dieser Kanalkonstruktion ist, dass die Strömungskanäle sehr kurz sind und fast keine Richtungsänderung aufweist. Dies führt zu einem erhöhten Druckabfall im Verteilrohr. Zudem haben die ersten Zellen in der Nähe des Verteilereingangs haben einen höheren Durchsatz als die Zellen, welche sich am Ende des Verteilers befinden.

Der Reaktandenfluss erfolgt parallel zur Elektrodenoberfläche bei interdigitalen Strömungsfeldern. In den meisten Fällen sind die Strömungskanäle vom Einlass bis zum Auslass nicht durchgängig ausgeführt. Die Kanäle sind als Sackgassen ausgeführt, damit der Reaktionsstrom unter Druck durch die poröse Reaktantenschicht fließen muss, um eine effektive Durchflussverteilung mit den Strömungskanälen zu erreichen. Mit Hilfe dieser Konstruktion wird Wasser aus der Elektrodenstruktur entfernt, was die Leistung erhöht.  Die ineinandergreifende Struktur der Strömungsfelder führt zu erzwungener Konvektion, dadurch werden Überschwemmungen sowie Gasdiffusionsbeschränkungen vermieden. Das Layout der Kanäle übertrifft manchmal das herkömmliche Strömungsfelddesign. Das interdigitale Layout der Kanäle wird in Abbildung 4 grafisch veranschaulicht.

 

Kanalform, Abmessungen und Abstände

In der Regel sind Flüssigkeitsströmungskanäle rechteckig, kreisförmig, dreieckig oder können auch andere Formen aufweisen. Die Geometrie der Kanalform kann die Wasseransammlungen in den Zellen und somit die Oxidationsmittel- und Brennstoffflussrate beeinflussen. Bei abgerundeten Kanälen bildet das kondensierende einen dünnen Film am Boden des Strömungskanal. Hingegen bilden sich Wassertropfen bei anderen Kanalformen. Die Größe und Form der Wassertropfen werden durch die Hydrophile und Hydrophobie der porösen Medien und der Kanalwände bestimmt. Die Kanaldimensionen liegen in der Regel bei ungefähr 1 mm, aber für Mikro- bis Großbrennstoffzellen gibt es einen großen Bereich (0,1 mm bis 3 mm). Aus Simulationen geht hervor, dass die optimale Kanalabmessung für Makro-Brennstoffzellenstapel (keine MEM-Brennstoffzellen) 1,5, 1,5 bzw. 0,5 mm für die Kanaltiefe-, -breite und stegbreite (Abstand zwischen den Kanälen) betragen. Die angeführten Maß hängen von der Gesamtkonstruktion des Stapels und der Größe des Stapels ab.  Die Abmessungen der Kanäle wirken sich ebenso auf die Durchflussraten von Oxidationsmittel und Brennstoff, den Druckverlust, die Wärme- und Wassererzeugung sowie die in der Brennstoffzelle erzeugte Leistung aus. Breitere Strömungskanäle führen zu einem besseren Kontakt zwischen der Katalysatorschicht und dem Brennstoff, haben einen geringeren Druckverlust und eine effiziente Wasserentfernung. Sind die Kanäle zu breit, wird die MEA-Schicht nicht genügend unterstützt. Ein zu großer Abstand zwischen den Strömungskanälen, führt zu geringerer Kontaktfläche zu den Reaktanten und somit zu einer höheren Ansammlung an Wasser.

 

Abschließende Überlegungen

Die Strömungsfeldplatten sind für den Transport von Flüssigkeiten und Gasen zu den Katalysatoren vorgesehen. Verwendete Kanalkonfigurationen sind: Serpentine, die parallele und die ineinandergreifende Strömung. Es gibt unterschiedliche Strömungsfelddesigns, welche von der Größe, dem Design und der Konfiguration der Stacks abhängig sind.    

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