Kühlkonzepte für Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stacks

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.