CITplus - Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) zeichnen sich durch ihre Kompaktheit und ihr hohes Leistungsvermögen aus. Der Einsatzbereich dieses Brennstoffzellentypus ist aufgrund seiner Designflexibilität äußerst vielseitig und reicht von Lösungen mobiler und stationärer Energieerzeugung bis hin zur Fahrzeugtechnik. In einem Projekt des University College Londons und des Imperial College Londons wurde der Einfluss des Designs auf das Strömungsfeld und somit auf die Funktion der Brennstoffzelle untersucht. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis bei grundlegenden Fragestellungen wie Wasser- und Temperaturmanagement.

Der Kern einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran, Elektroden und Gasdiffusionsschichten (GDL - gas diffusion layer), die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit (MEA - membran electrode assembly) bilden sowie mono- oder bipolaren Platten (Abb. 1). Verbindet man mehrere dieser Einheiten elektrisch in Reihe, entsteht ein sogenannter Stack. Die bipolare Platte nimmt im Betrieb der PEMFC eine Schlüsselrolle ein: Sie nimmt den von der MEA produzierten Strom auf und transportiert ihn, sie verleiht der Brennstoffzelle strukturelle Stabilität und verteilt die Reaktanten auf den Oberflächen der MEA. Traditionell bestehen bipolare Platten aus Graphit oder Graphit-Verbundmaterialien und sind in der Herstellung eher unhandlich und teuer. Die Verwendung gedruckter Leiterplatten (PCB - printed circuit boards) anstelle des Graphitmaterials bietet ein signifikantes Verbesserungspotenzial, da sie ein geringeres Gewicht aufweisen und auch bei komplexen Designs einfach und kostengünstiger herzustellen sind.
Simulation ermöglicht ein besseres Verständnis der Effekte unterschiedlicher PCB Strömungsfeldausführungen auf die Gesamtleistung der PEM-Brennstoffzelle. Die Analyse der zugrundeliegenden Betriebscharakteristik ermöglicht eine Optimierung und die Auswahl des am besten geeigneten Designs der Brennstoffzelleneinheit.

Das Simulationsmodell
Zur detaillierten Untersuchung wurden mit Comsol Multiphysics zwei dreidimensionale, nichtisotherme Strömungsmodelle der Stromkollektoren mit jeweils unterschiedlichen Designs aufgebaut (Abb. 2). Beide Modelle hatten einen 5  cm² großen aktiven Bereich einer MEA zwischen zwei PCB Stromkollektoren. Für die Untersuchung wurden zwei Designvarianten ausgewählt: eine mit rechteckigen, parallelen und eine mit kreisförmigen Strömungskanälen. Das eine Strömungsfeld umfasste insgesamt 11 parallele Kanäle mit einer Kanal- und Rippenbreite von jeweils 1  mm, das andere Strömungsfeld bestand aus 36 kreisförmigen Kanälen mit einem Durchmesser von jeweils 3  mm und einem Zellenabstand von 0,7  mm zwischen den einzelnen Kanälen. Die Gase strömen durch einen Verteilbereich auf der Rückseite des Stromkollektors. Zur präzisen Abbildung des Brennstoffzellenbetriebes wurden in beiden Modellen die wichtigsten Transportphänomene berücksichtigt. Die Transporteigenschaften wurden unter Verwendung der Maxwell-Stefan-Gleichung für die Multikomponentendiffusion, der Navier-Stokes-Gleichung für den Impulstransport, der Butler-Volmer- und Tafel-Gleichungen für die elektrochemische Reaktion und der Schögl-Gleichung für die Wasserströmung durch die Membran definiert.
Um den Berechnungsaufwand zu reduzieren, wurden mehrere Annahmen getroffen:

1. Der Betrieb der Brennstoffzelle findet unter stationären Bedingungen statt.
2. Die Reaktanten sind kompressible ideale Gase und vollständig mit Wasserdampf gesättigt.
3. Die Strömung in der Brennstoffzelle ist ­laminar.
4. Die Membran ist für die reaktanten Gase undurchlässig.
5. Das produzierte Wasser befindet sich in der Flüssigphase. Flüssig- und Gasphasen interagieren nicht.
6. Die Membran ist vollständig befeuchtet. Die Ionenleitfähigkeit ist konstant, und es gibt kein Konzentrationsgefälle an der Membran.
7. Verluste an den Kontakten der elektrischen Komponenten wurden im Modell nicht berücksichtigt.
8. Die Materialien sind isotrop und homogen.
9. Effekte der Zellenverdichtung der MEA werden nicht berücksichtigt.

Ergebnisse
Die Strömungsfelder wurden mit Comsol Multiphysics 4.2 berechnet. Die Ergebnisse für beide Designs wurden mit ähnlichen Ergebnissen in der Literatur verglichen. Sie stimmten sehr gut mit den allgemeinen Transporteigenschaften überein. Abbildung 3 zeigt das Polarisationsdiagramm der PEM-Brennstoffzelle für beide Ausführungen der Strömungsfeldplatten. Die Brennstoffzelle zeigt sowohl für das parallele als auch für das kreisförmige Kanaldesign nahezu idenitsche Eigenschaften hinsichtlich der Stromdichte bei gegebener Spannung. Die Leistung der Zelle mit kreisförmigem Design ist bei höheren Stromdichten teils niedriger als bei der parallelen Ausführung. Die Simulation des Massetransports innerhalb der Zelle zeigte detailliert die Verteilung der Spezies innerhalb der verschiedenen Schichten. Bei beiden Fällen wurde bei 0,6 V ein Konzentrationsabfall der Spezies entlang der Strömung in X-Richtung festgestellt. Der Abbau von Wasserstoff in der anodischen Katalysatorschicht hat bei beiden Designs eine ungleichmäßige Verteilung. Der Verbauch der reaktanten Spezies in beiden Elektroden ist unter der Rippe der PCB deutlich höher als unter den Kanalbereichen. Der Abbau von Sauerstoff ist vor allem beim kreisförmigen Design stark ausgeprägt. In diesem Bereich behindert der Stromkollektor den Spezies-Transport. Der eingeschränkte Massetransport führt zu einem Verlust der Zellenleistung. Darüber hinaus zeigte das parallele Strömungsdesign eine einheitlichere Verteilung des Sauerstoffs entlang der Kathoden-Membran-Schnittstelle.
Auch die Wärmeübertragung innerhalb der Zelle ist ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Strömungskanaldesigns. Die Temperaturverteilung innerhalb der Zelle beeinflusst Strom-, Masse- und Impulstransport. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Temperaturverteilungen in den Zellen. Die Temperatur der Brennstoffzellen ist in der Membran durch die niedrigere Ionenleitfähigkeit und in der Kathoden-Katalysatorschicht durch die elektrochemische Reaktion am höchsten. Beim Modell mit kreisförmigen Kanälen stieg die Temperatur von 353 K auf 372 K, die Ausführung mit parallelen Kanälen zeigte einen Temperaturanstieg von 353 K auf 369 K. Der dauerhafte Betrieb bei höheren Temperaturen kann zu einer magelhaften Befeuchtung im Membraninneren führen, was wiederum zu einer geringeren Ionenleitfähigkeit führt. Des Weiteren besteht bei erhöhten Temperaturen die Gefahr von Verformungen der Zellenkomponenten.

Zusammenfassung
Zur Untersuchung der Effekte der Strömungskanaldesigns auf Masse-, Ladungs-, Impuls-, Wärme- und Wassertransport wurden detaillierte Simulationsmodelle in Comsol Multiphysics aufgebaut. Obwohl die kreisförmigen und parallelen Strömungsfeldplatten eine ähnliche Zellenleistung hinsichtlich des Polarisationsdiagramms zeigten, bietet das parallele Design mehr Potenzial für den Einsatz in einer Brennstoffzelle. Beim Betrieb der Brennstoffzelle dieses Designs zeigte sich eine bessere einheitliche Verteilung der Masse und Wärme innerhalb der verschiedenen Schichten, was für die langfristige Zellenleistung entscheidend ist. Derzeit werden weitere Untersuchungen durchgeführt, um verschiedene Designverbesserungen, den Brennstoffzellenbetrieb mit variierenden Membranbefeuchtungen und einen Phasenwechsel zu berücksichtigen.

Finanziert wurde das gemeinsame Projekt der beiden Londoner Colleges, Univerity und Imperial, von EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) und The Carbon Trust.