Metallschaum – Leistungssteigerung beim Kaltstart von Brennstoffzellen

KommerzialisiertMetallschäumesind derzeit aufgrund ihrer porösen Mikrostruktur, hohen Porosität und guten mechanischen Eigenschaften eine gute Alternative zu herkömmlichen Läufern für Brennstoffzellen.Inkalische Stärke.
Zunächst wurde die Polarisationsleistung der Batterie unter normalen Betriebsbedingungen bei Raumtemperatur analysiert. Da die Kathode die Hauptelektrode ist, die die Leistung der Batterie einschränkt, werden für die Anode beider Einzelzellen konventionelle parallele Strompfade verwendet, und für die Kathode werden konventionelle parallele Strompfade mit einem neuen Nickelmetall verwendet.SchaumStrömungsfeld bzw.
Um die Strömungs- und Leistungsunterschiede in den beiden Strömungsfeldern deutlicher darzustellen, wurde in der Studie ein schmales Zellströmungsfeld mit den Abmessungen 1,5 cm × 20 cm (die Gase strömten alle entlang der Längsseite) verwendet, wodurch die ursprüngliche Zellleistung etwas verloren ging und die Zellpolarisationsleistung daher nicht hoch war. Zudem wurde für beide Zellen im Test dieselbe MEA (Nafion-112) verwendet. Aufgrund der stärkeren Krümmung des winzigen Strömungskanals im Schaummetallströmungsfeld ist der Druckabfall an beiden Enden höher als im einfachen, langen, geraden Strömungskanal des konventionellen Strömungsfelds. Dies verbessert die Gaszufuhr zur Kathode, den Betriebsdruck und die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion. Gleichzeitig muss bis zu einem gewissen Grad mehr Leistung des unter Druck stehenden Gasmotors verbraucht werden, was den Pumpverlust erhöht. Die maximale Leistungsdichte ist höher für Zellen mitMetallschaumStrömungsfelder, wobei bei niedrigen Strömen die Leistungsdichte etwas niedriger ist als bei herkömmlichen Strömungsfeldzellen. Insgesamt sind die Vorteile der Verwendung eines Strömungsfelds aus Metallschaum dennoch erheblich. Aufgrund der gleichmäßigeren Strömung von Gas und flüssigem Wasser im Strömungsfeld aus Metallschaum kann auf lange Sicht in praktischen Anwendungen ein kürzeres Strömungsfeld verwendet werden oder eine vertikale Kreuzversorgung von Kathode und Anode (Anodengas strömt entlang der langen Seite des herkömmlichen Strömungskanals, Kathodengas strömt entlang der kurzen Seite des Schaumströmungsfelds) verwendet werden, wodurch die Pumpverluste durch den Druckabfall am Kathodenein- und -auslass weiter reduziert werden. Dadurch wird eine Verbesserung der Batterieleistung erwartet. Auf lange Sicht kann sogar eine vergleichbare oder sogar höhere Leistungsdichte als beim herkömmlichen Strömungskanal aufrechterhalten werden. Daher wird eine Verbesserung der Zellleistung erwartet, während die Pumpverluste vergleichbar oder sogar geringer als beim herkömmlichen Strömungskanal bleiben.
Um andererseits die Bedenken hinsichtlich der Startbedingungen unter Null auszuräumen, vergleichen wir umfassend die dynamische Startleistung von Brennstoffzellen mit Schaummetall-Strömungsfeld und herkömmlichem parallelen Strömungskanal an der Kathode im Konstantstrom- bzw. Konstantspannungsmodus.
Andererseits vergleichen wir für die gängigen Startbedingungen unter Null umfassend die dynamische Startleistung von Brennstoffzellen mit Schaummetall-Strömungsfeld und herkömmlichem parallelen Strömungskanal an der Kathode im Konstantstrom- bzw. Konstantspannungsmodus.
Das Schaummetall-Strömungsfeld weist hervorragende Vorteile auf, mit stabiler Zellleistung während des Startvorgangs und erfolgreichem Startvorgang. Im Gegensatz dazu verbessert die herkömmliche Zelle mit parallelen Strömungskanälen mit niedrigerer und instabiler Zellausgangsspannung während des Betriebs die Wärmeproduktionsrate und die Temperaturanstiegsrate bis zu einem gewissen Grad, aber aufgrund der geringeren Strömungskanäle steigt die Möglichkeit einer Vereisung und Verstopfung linear an (abhängig von der Anzahl der Strömungskanäle), was zu einer schwankenden Zellausgangsleistung führt. Die Wahrscheinlichkeit einer Eisverstopfung steigt jedoch linear an (abhängig von der Anzahl der Strömungskanäle), was zu einer schwankenden Zellausgangsleistung und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit eines Startfehlers führt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hervorragende poröse Struktur der Brennstoffzelle mitSchaummetallDas Strömungsfeld bietet sowohl bei Raumtemperaturbetrieb als auch bei dynamischen Startbedingungen unter Null erhebliche Vorteile gegenüber der Zelle mit einem herkömmlichen „Grabenkamm“-Strömungskanal.
Die maximale Leistungsdichte und die maximale Stromdichte desBatteriebei Raumtemperatur um etwa 25 % erhöht;
Bei Startbedingungen unter Null ist die Leistung von Batterien mit Schaummetall-Strömungsfeld beim Starten gleichmäßiger und die Selbststartfähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist erheblich verbessert.
Darüber hinaus ist die Verwendung optimierter Behandlungen für Schaummetallmaterialien, wie z. B. Vergoldung zur Verbesserung der Leitfähigkeit, geeignetere Hydrophobie- und Korrosionsschutzbehandlungen und die Verwendung vonSchaumstoffeMit optimierteren Porengrößen, Porositäten und Kompressionsverhältnissen wird erwartet, dass die Betriebsleistung der Brennstoffzelle weiter verbessert und die Haltbarkeit des Kaltstartzyklus erhöht wird.