Experimental investigations and numerical evaluations of the flow distribution in polymer electrolyte membrane fuel cells

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den Untersuchungen des Strömungsverhaltens, hauptsächlich der Luftseite des Flussfeldes, einer automotiven Brennstoffzelle mit einer aktiven Fläche von 250 cm². Für diese Betrachtung ist eine Testeinrichtung basierend auf der ortsaufgelösten Bestimmung des statischen Druckes entwickelt worden, die sogenannte Differenzdruckmethode (DPM). Die geometrischen Verformungen der Gasdiffusionslage (GDL) in die Kanäle werden ex-situ mittels Mikroskop evaluiert und diese Ergebnisse mit der numerischen CFD-Simulation und mit den Ergebnissen der DPM konsolidiert. Ein Flussfeld mit konischen Kanälen und stufigen Vorverteilerstrukturen wird mittels dieser Methoden evaluiert. Das gleiche Flussfeld wird mit einem Flussfeld mit geraden Kanälen auf der Anodenseite mittels ortsaufgelöster Strom- und Temperaturdichteverteilung in einem 4-Zeller Short Stack vermessen. Die Kombination der Ergebnisse gibt eine genaue Beschreibung der strömungsbasierten Effekte auf die Stromdichteverteilung der Brennstoffzelle. Unterdessen wird die Stromdichte der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) und der viskose Strömungswiderstand der GDL unter den Kanalstegen bestimmt. This PHD thesis engages in investigations of the flow behavior of an automotive fuel cell with an active area of 250 cm², mainly on the air side of the flow field. For these investigations, a test setup is developed based on locally resolved determination of the static pressure, the so-called differential pressure method (DPM). The geometrical deformations of the gas diffusion layer (GDL) into the channels are evaluated ex-situ with a microscope. These results are consolidated with the numerical CFD-simulation to model the DPM. A flow field with conical channels and flow distribution headers is evaluated with these methods. The same flow field is surveyed with a locally resolved current- and temperature density distribution method based on a flow field with straight channels on the anode in a 4 cell short stack. The combination of the results gives an exact description of the effects of the fluid flow conditions on the current density distribution of the fuel cell. This also allows to determine the current density at the catalyst-coated membrane (CCM) and the gas transport resistance of the GDL in the land area.