Massenströme und Stromdichteverteilung in flüssig gespeisten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen

Bewer, Thomas; Stolten, Detlef

doi:0366-0885

Massenströme und Stromdichteverteilung in flüssig gespeisten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen

Bewer, Thomas (Author)

2003

VerantwortlichkeitsangabeThomas Bewer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2003

UmfangIII, 170 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte des Forschungszentrums Jülich ; 4029

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache. - Internetausg. u.d.T.: Bewer, Thomas: Massenströme und Stromdichteverteilung in flüssig gespeisten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-09-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5735
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61474/files/Bewer_Thomas.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membranbrennstoffzelle (Genormte SW) ; Methanol (Genormte SW) ; Massestrom (Genormte SW) ; Elektrische Stromdichte (Genormte SW) ; Temperaturverteilung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Brennstoffzellen (frei) ; DMFC (frei) ; Modellierung (frei) ; Zweiphasenströmung (frei) ; Stromdichteverteilung (frei) ; Temperaturverteilung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der strömungs- und verfahrenstechnischen Untersuchung von flüssiggespeisten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC). Es wird der Einfluß von Betriebs- und Designparametern auf die Leistung und den Stoff- und Wärmehaushalt betrachtet. Dazu werden experimentelle Untersuchungen und Modellrechnungen miteinander kombiniert. Aus den Ergebnissen werden Anhaltspunkte für ein optimiertes Zell- und Stackdesign abgeleitet. Experimentell wird die einphasige Strömungsverteilung auf Anode und Kathode in Abhängigkeit unterschiedlicher Strömungsstrukturen und Manifolddesigns betrachtet. Mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens auf Basis der katalytischen Zersetzung von H2O2 wird die Untersuchung auf die zweiphasige Strömungssituation auf der Anode erweitert. Eine für die Strömungsverteilung in der Zelle entwickelte Modellvorstellung beschreibt das experimentell beobachtete Verhalten sehr gut. Um eine Zelle im Realbetrieb abzubilden, müssen neben der Strömung auch die Wärmeverteilung und die elektrochemischen Potentiale von Anode und Kathode bestimmt werden. Messungen der Wärmeverteilung mit einer Infrarot-Kamera bestätigen die für das thermische Management getroffenen Modellannahmen. Die elektrochemischen Potentiale und die Methanolpermeation werden in Abhängigkeit der Betriebsparameter bestimmt und anschließend in das bestehende Modell integriert. Damit steht ein verifiziertes Modell zur Verfügung, das die Vorgänge in einer DMFC dreidimensional beschreibt. Mit diesem Modellierungswerkzeug erfolgt eine Analyse des Einflusses von Betriebs- und Designparametern auf die Strömungs-, Temperatur- und Stromdichteverteilung. Es wird eine Einzelzelle mit einer aktiven Fläche von 20cm² und ein fünfzelliger Short-Stacks gleicher Einzelzellfläche untersucht. Die Analyse zeigt, daß die Stromdichteverteilung stark an die Temperaturverteilung gekoppelt ist. Für eine gleichmäßige Strömungs- und Stromdichteverteilung ist weiterhin eine sorgsame Abstimmung von Manifold und Strömungsstruktur notwendig. Abgeschrägte Manifolds zeigen eine gleichmäßige Strömungsverteilung auf der Anode, da sie sich sehr gut zum Abtransport der CO2-Blasen eignen.

The present study is concerned with the process-related and fluid dynamic analysis of liquid feed Direct-Methanol-Fuel-Cells (DMFC). The influence of operating and design parameters on the performance and the mass and heat balance is investigated. For this purpose experimental studies and modelling are combined. The results give hints to an optimised cell and stack design. Dependent on the flow field and manifold design experimental studies analyse the single- phase flow behaviour in the anode and cathode compartment. The single-phase studies on the anode are extended to two-phase flow analysis by a new experimental method based on the catalytic decomposition of H2O2. A model is presented that is in very good agreement with the experimental data. In order to describe a cell in operation the heat distribution and the electrochemical potentials of anode and cathode have to be known. Heat distribution is measured with an IR-camera. Experiments agree with the developed model. The electrochemical potentials and the methanol permeation are investigated in dependence of operating parameters and implemented in the existing model. Hence this verified model describes the DMFC three dimensionally. With this modelling tool the impact of operating and design parameters on the distribution of flow, temperature and current density is analysed. A single cell with an active area of 20cm² and a five cell short-stack with the same single cell area are investigated. The analysis shows that the current density distribution is strongly coupled with the temperature distribution. In order to achieve a homogenous flow distribution and a homogeneous current density, flow field and manifold design have to be balanced properly. Splayed manifolds give a homogeneous flow distribution on the anode, as they guarantee good CO2-bubble discharge.

OpenAccess:
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