Evaluation of material compatibility and fluid aging in fuel cell cooling systems.

Kurzfassung

Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, methodische Grundlagen für eine praxisorientierte Bewertung von Kühlmitteln im Kontakt mit Werkstoffoberflächen von PEM-Brennstoffzellen zu schaffen. Hierzu wurde ein modularer Prüfstand mit geschlossenem Kühlkreislauf entwickelt, der über den Betrieb eines Brennstoffzellenemulators als Prüfmodul eine kontrollierte Nachbildung praxisrelevanter thermischer und strömungsmechanischer Beanspruchungen des Kühlsystems eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Eine im Prüfmodul integrierte Referenzbipolarplatte dient dabei als produktunabhängige Prüfplattform. Diese wird durch ein Open-Source-Modell zur numerischen Strömungssimulation ergänzt, was die Erfassung lokaler Strömungsphänomene und Temperaturverteilungen erlaubt. In Brennstoffzellen müssen, aufgrund der funktionsbedingten Begrenzung der elektrischen Leitfähigkeit, Kühlmittel ohne etablierte Korrosionsschutzadditive eingesetzt werden. Als metallische Bipolarplatten kommen hochlegierte, austenitische Stähle zum Einsatz, für die im Rahmen der experimentellen Untersuchungen keine korrosionsbedingten Veränderungen im Kontakt mit diesen Kühlmitteln festgestellt werden konnten. Beobachtet wurde jedoch, dass die thermische Belastung über die beheizte Werkstofffläche bereits nach kurzer Betriebsdauer zu einem deutlichen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit der Kühlmittel führen kann, ohne dass katalytische Einflüsse der Werkstoffoberflächen oder Verunreinigungen aus dem Prüfsystem nachweisbar sind. Die elektrische Leitfähigkeit erweist sich damit als sensitive und funktionell relevante Prüfgröße zur Charakterisierung der thermisch bedingten Kühlmittelalterung. Unterschiedliche industrielle Kühlmittel lassen sich anhand ihrer Leitfähigkeitsverläufe eindeutig differenzieren, wodurch eine objektive Bewertungsgrundlage geschaffen wird. Zusammenfassend stellt das Projekt sowohl experimentelle als auch numerische Werkzeuge bereit, die insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen eine unabhängige Bewertung eigener Kühlmittelformulierungen ermöglichen und zugleich eine Grundlage für zukünftige Standardisierungen im Bereich der Brennstoffzellenkühlung schaffen.

Beteiligte Forschungseinrichtungen

Forschungseinrichtung I:

Technische Universität Darmstadt
Zentrum für Konstruktionswerkstoffe
Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Forschungseinrichtung II:

Technische Universität Darmstadt
Institut für Strömungslehre und Aerodynamik
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Jeanette Hussong

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung FVV e.V. wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr. 01IF22097 N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.