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Forschung - Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

Mehrphasen- Mehrkomponentenprozesse in Gasdiffusionsschichten von Brennstoffzellen und ihre Wechselwirkungen mit Kanalströmungen
Projektleiter:apl. Prof. Dr.-Ing. Holger Class, Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig
Wissenschaftliche Mitarbeiter:Dipl.-Inf. Andreas Lauser
Projektdauer:1.10.2008 - 30.9.2011
Finanzierung:Internationales Graduiertenkolleg NUPUS
Anschlussprojekt von: Modellierung der Mehrphasenströmung auf der Kathodenseite der Wasserstoff-Brennstoffzelle
Kommentar:

Dieses Projekt gehört zum Forschungsschwerpunkt:
Modellkopplung und komplexe Strukturen


Zusammenfassung:

Eines der Schlüsselprobleme im aufziehenden Zeitalter der erneuerbaren Energien ist die Verfügbarkeit geeigneter Energieträger. Eine derzeit intensiv untersuchte Technologie sind Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM- Brennstoffzellen). Trotz einiger jüngst erreichten technologischen Durchbrüche, sind noch signifikante Steigerungen bezüglich der Leistungsdichte, Haltbarkeit und Herstellungskosten nötig um PEM-Brennstoffzellen zu konventionellen Technologien außerhalb von Nischenanwendungen konkurrenzfähig zu machen.

Bei der Optimierung der Leistungsdichte von PEM-Brennstoffzellen ist die relativ langsame Reduktionsreaktion von Sauerstoff auf der Kathodenseite der begrenzende Faktor. Aus diesem Grund ist eine optimale Sauerstoffversorgung der kathodischen Reaktionsschicht von großer Bedeutung. Dabei ergibt sich folgendes Optimierungsproblem: Einerseits wird die Sauerstoffversorgung der Kathode vor durch das an der Kathode entstehende flüssige Produktwasser behindert, andererseits wird flüssiges Wasser für eine hinreichend hohe Protonenleitfähigkeit der die beiden Elektroden der Zelle trennenden Polymermembran benötigt. Aus diesem Grund ist für die weitere Optimierung ein tieferes Verständnis des Wasserhaushalts der Zelle sehr hilfreich.

In diesem Zusammenhang sind viele Fragen des Mehrphasen-Mehrkomponentensystem der porösen Gasdiffusionsschicht noch ungeklärt. Einen kritischen Einfluss hat dabei die Benetzbarkeit des Materials: Häufig verwendete Materialien basieren auf mit PTFE (Teflon) hydrophobisieren Kohlefaserstrukturen. Hydrophobe Materialien verbesseren im Allgemeinen den Abfluss von flüssigem Produktwasser, andererseits wurde jedoch experimentell festgestellt, dass sich Teile der Diffusionsschicht beim Betrieb hydrophil verhalten und deshalb große Wasserresidualsättigungen aufweisen. Dieser Effekt hat gravierende Auswirkungen auf die hydraulischen Eigenschaften des Mediums und ist numerisch schwer zu behandeln.

Eine weitere Schwierigkeit bei der numerischen Modellierung von Brennstofftzellen ist die korrekte fluidmechanische Beschreibung der Grenzschicht zwischen den Gaskanälen (Gasverteiler) und der porösen Diffusionsschicht. Der Gasverteiler hat in Brennstoffzellen zwei Aufgaben: Einerseits stellt er die Versorgung der Diffusionsschicht mit Sauerstoff sicher, anderseits transportiert er das Produktwasser in Form Dampf oder flüssig aus der Zelle. Der Gasverteiler kann hierbei entweder konventionell oder verschränkt angelegt sein: Beim konventionellen Gasverteiler herrscht ein konstanter Druck entlang eines Steges, so dass Gas hauptsächlich diffusiv ausgetauscht wird. Beim verschränkten Design besteht ein Druckgefälle, welches einen advektiven Gastransport in die Diffusionsschicht ermöglicht. In beiden Fällen ändern sich die Wassersättigung in der Diffusionsschicht sowie die Flüsse zwischen Diffusionsschicht und Gasverteiler dynamisch mit den Betriebsbedingungen.

Aus diesem Grund sind die Grenzflächenbedingungen zwischen Gasverteiler und poröser Diffusionsschicht ein wichtiger Aspekt von numerischen Modellen zur Untersuchung des Wassermanagements in Brennstoffzellen. Das primäre Ziel Projekt ist es die Eignung verschiedener kontinuumsmechanischer Ansätze zur Beschreibung der Grenzflächenbedingungen zu untersuchen.