Cooling Strategies for PEM FC Stacks

Konzepte zur Kühlung von PEM-Brennstoffzellen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-24561
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Thermodynamik / Prof. Dr.-Ing. S. Kabelac
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Kabelac, Stephan (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.03.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle , Kühlung , Numerische Strömungssimulation , Temperaturverteilung
Freie Schlagwörter (Englisch): PEM fuel cell stack , Cooling , Temperature distribution , CFD
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

Fuel cell technology, even though not as advanced as predicted, is still one of the promising candidates for future efficient and sustainable energy conversion. Out of several types of fuel cells the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is regarded as the future power source for transportation and portable electronic devices, because of its low operating temperature between 80-180ºC. PEMFC, like other types of fuel cells, converts the chemical energy of the hydrogen rich fuel into electrical energy, and as a by-product it generates water and heat. Part of this heat is a result of the thermodynamic reaction entropy, the bigger part is due to irreversible transport mechanisms. A removal of this low grade heat requires an efficient cooling system.--- This thesis provides a variety of cooling strategies for the efficient removal of heat, so that the temperature of the PEMFC stack remains under a tolerable limit and as much as possible spatially homogeneous. In first place it is important to know the magnitude and location of heat sources in PEMFC, then one can hunt for the cooling strategies. A systematic study of the heat sources in PEMFC is made in this thesis, and it is concluded that the irreversible sources of heat generation are amenable by using the toolbox of thermodynamics of irreversible processes. The reversible part of heat generation due to the entropy change taking place on behalf of the electrochemical reaction at the electrodes of the cell is uncertain. This brings a major limitation on the vast number of non-isothermal PEM fuel models developed in last two decades.--- A complete computational modeling of the commercial size PEMFC stack is still far away from reality, this necessitates to decrease the complexity of the model which can allow us to simulate a large size stack. In this regard a sophisticated computational fluid dynamics (CFD) model of one single fuel cell is developed as a first step, which is capable of calculating the non-uniform heat flux distribution at the electrodes based upon the concentration changes occurring at the electrode due to the electrochemical reaction. Local current density distribution is predicted for two possible reactant flow arrangements in a stack. This single cell model gives rise to a simplified model for the stack simulation as a second step.--- Larger PEMFC stacks are always cooled by liquid cooling. In this work different liquid cooling channel designs with single and multiple channels are analyzed numerically and the temperature distribution of the cooling plate is shown. The criterion for optimization of the design is made by calculating the total entropy generation. All different designs show stratification of temperature. Better uniformity of temperature can be achieved through offsetting and intelligent zoning of the temperature in the stack as proposed in the thesis. Two known benchmark problems are solved in this study to validate the calculation methods.--- A four cell stack is modeled using CFD and the temperature distribution is experimentally validated by a four cell stack which is designed and manufactured in-house. An important result of this experimental work is the existence of temperature variation within a small active area of 25 cm2. In the end a commercial size stack having 30 cells is simulated with cooling plates at a space of every cell, every third cell and every fifth cell. The resulting temperature distribution shows that the difference in maximum and minimum temperature of the stack decreases as the number of cooling plates increases. In a PEM-FC stack, just as in other types, the spatial temperature distribution is pivotal for its stability and for its lifetime expectation. The results of this thesis give important design criteria for an optimum thermal management of PEMFC.

Kurzfassung auf Deutsch:

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.

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