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Masterarbeit: Vergleich von NT-PEM-Brennstoffzellen Flow Field Designs und Ermittlung optimaler Betriebsparameter

Ausschreibendes Institut: IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: D077/2017, Elektrochemische Verfahrenstechnik, Chemie, Maschinenbau oder vergleichbar

Beginn der Arbeit: ab sofort

Aufgabengebiet
Mit ihrem neuen Energiekonzept legt die Bundesregierung im Sinne einer umweltschonenden, zuverlässigen und bezahlbaren Energieversorgung fest, dass die erneuerbaren Energien im Energiemix der Zukunft den Hauptanteil übernehmen sollen. Durch den Ausbau von regenerativer Energieerzeugungskapazität entstehen neue Herausforderungen hinsichtlich der Speicherung großer Energiemengen, da der zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland zu einem rapiden Anstieg fluktuierender Energie aus Wind und Sonne im Stromversorgersystem führt. Neben elektrischen und thermischen Speichern kommt dabei der chemischen Speicherung in Form von Wasserstoff, der mittels Elektrolyse aus regenerativem erzeugtem Strom produziert wird, eine hohe Bedeutung zu. Zur Rückwandlung dieser chemischen Energie in elektrische Energie kommen im Anschluss zum Beispiel PEM-Brennstoffzellen zum Einsatz.

So konzentrieren sich die Aktivitäten am IEK-3 in enger Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus Forschung und Industrie auf die Optimierung von Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM) Brennstoffzellen. Neben der Entwicklung effizienter Membran-Elektroden-Einheiten beschäftigt sich das IEK-3 mit der Entwicklung von Stacks und Systemen. Um eine optimale Performance der Brennstoffzellenstacks zu gewährleisten, muss die Membranoberfläche gleichmäßig und ausreichend mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff versorgt werden. Hierzu kommen zum einen poröse Materialien wie Kohlenstoffvliese zum Einsatz, welche wiederum von Kanalstrukturen (Flow Fields) versorgt werden. Deren Design hat einen signifikanten Einfluss auf die Konzentrationsverteilung der Brenngase auf der Membranoberfläche. Darüber hinaus muss durch die Flow Field Struktur das entstehende Produktwasser in flüssiger Form abgeführt werden.

Im Rahmen der Masterarbeit sollen verschiedene Flow Field Designs hinsichtlich Ihrer Performance im praktischen Versuch analysiert werden. Dazu stehen bereits verschiedene Designs zur Verfügung, wobei eine Neukonstruktion nicht ausgeschlossen ist. Darüber hinaus sollen jeweils die optimalen Betriebsparameter für jedes Flow Field bestimmt werden. Eine Literaturstudie zur Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle und den Strömungsvorgängen bei der Gasversorgung wird zu Beginn den Grundstein dieser Arbeit legen.

Aufgabenbeschreibung:

  • Erarbeitung und Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen der PEM-Brennstoffzelle und der Strömungsvorgänge bei der Gasversorgung
  • Literaturstudie zu bereits bekannten Flow Field Designs
  • Praktische Bestimmung der optimalen Betriebsparameter des jeweiligen Flow Fields
  • Vergleich der verschiedenen Flow Field Designs
  • Ableiten von Optimierungsmaßnahmen und evtl. Auslegung eines neuen Designs
  • Dokumentation der Ergebnisse in einer Masterarbeit

Anforderungen:

  • Sehr gute Leistungen in Ihrem Studium der Elektrochemischen Verfahrenstechnik, der Chemie, des Maschinenbaus oder eines vergleichbaren Studiengangs
  • Erfahrungen im Bereich Brennstoffzellen wünschenswert
  • Große Einsatzbereitschaft und Kreativität
  • Selbstständige, motivierte und analytische Arbeitsweise

Ansprechpartner:
Philipp Irmscher
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
IEK-3: Elektrochemische Verfahrenstechnik
Forschungszentrum Jülich
Telefon: +49 2461 61-9803

E-Mail: p.irmscher@fz-juelich.de
Internet: http://www.fz-juelich.de/iek/iek-3


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