Kondensation und Flüssigwasser in Turbinen von Brennstoffzellenturboladern

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Technologie für die Dekarbonisierung des Transportsektors. Das Kathodensystem versorgt die Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft und ist außerdem für die Abfuhr der Restluft und des Produktwassers der Brennstoffzellenreaktion verantwortlich. Die Turbine des Kathodensystems nutzt die Restenthalpie im Brennstoffzellenabgas und treibt zusammen mit einem Elektromotor den Luftverdichter an. Das Abgas enthält große Mengen an Wasserdampf, welcher durch die Expansion in der Turbine übersättigt. Dies führt zur homogenen Nukleation kleiner Tröpfchen, welche anschließend durch Kondensation wachsen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Auswirkungen des gasförmigen und flüssigen Wassers auf die Turbine und leistet damit einen Beitrag zur technischen Reife von Brennstoffzellenantrieben. Zunächst werden die Auswirkungen der Kondensation auf das Kathodensystem eines Luftfahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb anhand eines analytischen 0D-Modells untersucht. Im Weiteren werden ausführliche numerische Simulationen der kondensierenden Strömung durchgeführt. Hierfür wird eine Euler-Lagrange-Methode entwickelt, welche durch eine monodisperse Euler-Euler-Methode ergänzt wird. Die Validierung und Kalibrierung der numerischen Methoden stützen sich auf Experimente mit kondensierenden Düsenströmungen aus der Literatur. Als nächstes wird die Nukleation und Kondensation in der Radialturbine eines Brennstoffzellenturboladers für Automobilanwendungen im Detail untersucht. Die wichtigsten Einflussgrößen sind die Sättigung am Turbineneintritt und das Turbinendruckverhältnis. Die höchsten Nukleationsraten werden am Gehäuse und im Rotorschaufelspalt beobachtet. Im Stator findet keine Tröpfchenbildung statt. Die Kondensation führt zu einer starken Erwärmung der Turbinenströmung sowie zu aero-thermodynamischen Verlusten und einer thermischen Drosselung. Abschließend wird gezeigt, dass die experimentell beobachtete Tropfenschlagerosion der Turbine nicht durch kondensiertes Wasser verursacht wird. Stattdessen ist Flüssigwasser, welches direkt aus der Brennstoffzelle stammt, verantwortlich. Die vorliegende Arbeit liefert ein grundlegendes Verständnis der Auswirkungen von Kondensation und Flüssigwasser in der Turbine. Dieses Wissen ermöglicht die Entwicklung von Turbinen und Kathodensystemen mit höherer Effizienz, erweitertem Betriebsbereich und gesteigerter Verschleißfestigkeit. Polymer electrolyte fuel cells are a promising technology for the decarbonization of the transport sector. The cathode system supplies the fuel cell with oxygen from ambient air and is also responsible for the removal of residual air and product water from the fuel cell reaction. The turbine of the cathode system uses the remaining enthalpy in the fuel cell exhaust gas and, together with an electric motor, drives the air compressor. The exhaust gas contains large quantities of water vapor, which is supersaturated by the expansion in the turbine. This leads to the homogeneous nucleation of small droplets, which subsequently grow through condensation. The present work deals with the effects of gaseous and liquid water on the turbine and thus contributes to the technical maturity of fuel cell systems. First, the effects of condensation on the cathode system of a fuel cell powered aircraft are investigated using an analytical 0D model. Subsequently, detailed numerical simulations of the condensing flow are carried out. For this purpose, an Euler-Lagrange method is developed, which is supplemented by a monodisperse Euler-Euler method. The validation and calibration of the numerical methods are based on experiments with condensing nozzle flows from the literature. Next, the nucleation and condensation in the radial turbine of a fuel cell turbocharger for automotive applications are analyzed in detail. The main influencing parameters are the saturation at the turbine inlet and the turbine pressure ratio. The highest nucleation rates are observed at the casing and in the rotor tip gap. No droplet formation takes place in the stator. The condensation leads to a strong heating of the turbine flow as well as to aero-thermodynamic losses and thermal throttling. Finally, it is shown that the experimentally observed droplet erosion of the turbine is not caused by condensed water. Instead, liquid water, from the fuel cell itself, is responsible. This work provides a fundamental understanding of the effects of condensation and liquid water in the turbine. This knowledge enables the development of turbines and cathode systems with higher efficiency, extended operating range, and increased wear resistance.