Kühlkonzepte für Hochtemperatur- Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stacks
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Beschreibung
Ein typischer Anwendungsbereich der Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
(HT-PEFC) ist die Bordstromerzeugung in mobilen Anwendungen. Die Betriebstemperatur
liegt über 120 °C und ist aus Gründen der Festigkeitsgrenzen verwendeter Materialien
und Lebensdaueranforderungen auf maximal 180 °C beschränkt. Aufgrund des hohen
Temperaturniveaus kann die neben dem Strom erzeugte Wärme in dem System oder der
Anwendung effizient weiterverwendet werden.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener möglicher Kühlkonzepte
hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in der HT-PEFC, vor allem im Hinblick auf die
Verwendung als Bordstromerzeugungseinheit im Verbund mit einem Brenngaserzeugungssystem.
Die avisierte Leistung soll im unteren Kilowatt-Bereich liegen, das heißt,
das Kühlsystem muss so ausgelegt werden, dass eine HT-PEFC für die Leistungsklasse
1 bis 10 kWel innerhalb der Spezifikationen robust und dauerhaft betrieben werden kann.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die möglichen Kühlmethoden dargestellt.
Zur Beurteilung der potentiellen Kühlkonzepte erfolgt eine rechnerische Auslegung der
betrachteten Kühlkonzepte. Zur weiteren Verifikation der analytischen Abschätzungen
werden 3D-CFD-Simulationen bzw. experimentelle Untersuchungen anhand von Stacks
mit einer aktiven Fläche von 200 cm2 durchgeführt. Beachtet wird neben der
ausreichenden Kühlleistung auch das Verhalten bei einem dynamischen Betrieb. Das
Aufheizen (Kaltstart) und die Kühlung verschiedener Betriebspunkte sollen möglich sein.
Für den Einsatz zur Kühlung von HT-PEFCs eignen sich alle aktiven Kühlkonzepte, die
Wärmeträgerflüssigkeit, Luft oder Wasser als Kühlmedium verwenden. Die drei
Wärmeträgermedien sind geeignet um Stacks der kW-Klasse zu kühlen. Eine Regelung
der Eintrittsparameter des Wärmeträgermediums ist aber bei der Verwendung von Luft
(Volumenstrom) erforderlich und bei Wärmeträgerflüssigkeit (Eintrittstemperatur)
vorteilhaft bzw. bei der externen Kühlung erforderlich. Die Wasserkühlung unter
Berücksichtigung des latenten Wärmeübergangs zeigt das höchste Potential, allerdings
verhindert der bei diesem Kühlkonzept notwendige Druck im Kühlkreislauf den Einsatz mit
aktuellen Stackmaterialien. Insgesamt erweisen sich die Wärmeträgerflüssigkeitskühlungen
mit gekapselten Kühlzellen und die externe Heatpipe-unterstützte Kühlung als
die am besten geeigneten Kühlkonzepte, um einen dauerhaft sicheren Stackbetrieb zur
Bordstromerzeugung im Verbund mit einem Brenngaserzeugungssystem zu ermöglichen.
Autor*in
Jen Supra