Konzepte für stabilen Anodenbetrieb in automobilen PEM-Brennstoffzellensysteme

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Dirk Jenssen zeigt in dieser Arbeit neuartige Systemkonzepte, mit denen sich ein stabiler Anodenbetrieb in einem PEM-Brennstoffzellensystem darstellen lässt. Das Anodenwassermanagement hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Betriebsstabilität und Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Experimentelle Untersuchungen und Simulationen zeigen die Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels auf. Ein Stabilitätskriterium zur Beschreibung eines effektiven anodenseitigen Flüssigwasseraustrags wird identifiziert und validiert. Die Anodenkaskadierung dient dazu, die rezirkulierte Wasserstoffmenge absenken zu können, ohne die Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels zu missachten. Dabei haben die Art der Teilung und die Anzahl der Stufen einen Einfluss auf die rezirkulierte Wasserstoffmenge und bieten somit Potential für eine Anodensystemvereinfachung. Es wird eine Methode zur Berechnung und Auslegung von Anodenkaskaden entwickelt und angewendet. Experimentelle Untersuchungen an einem kaskadierten Stapel dienen der Validierung der Berechnungen und bestätigen die Effektivität der Kaskadierung. Für eine Rezirkulation des Wasserstoffs werden meist elektrische Gebläse verwendet, welche unter anderem die Systemkomplexität und damit die Kosten erhöhen. Strahlpumpen können zur Vereinfachung des Anodensystems verwendet werden. Auf Basis der Erkenntnisse der Brennstoffzellenuntersuchungen werden neuartige Anodensystemkonzepte mit Strahlpumpen simuliert und deren Betriebsgrenzen ermittelt.