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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Modellierung und Simulation

Bei der Modellierung von Brennstoffzellenstapeln sind stark nichtlinear gekoppelte Prozesse auf unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen zu berücksichtigen. Diese unterschiedlichen Skalen verhindern die Verwendung eines einzigen Modellansatzes.

Deshalb ist es sinnvoll, für die jeweilige Problemstellung ein geeignetes Modell bzw. Simulationswerkzeug auszu­wählen. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt zum Einen auf der Aufklärung von grundlegen­den physikalisch/chemischen, fluiddynamischen sowie thermomechanischen Zusammen­hängen. Zum Anderen werden die Entwicklungs­arbeiten hin zu fortschrittlichen Designs und Verfahrensprozessen für neue Brennstoffzellen, Zell­stapel und Reformer unterstützt. Dabei ist die intensive Zusammenarbeit mit dem Physikochemischen Brennstoffzellenlabor des IEK-3 wichtig, um die Aufklärung von Strukturwirkungsbeziehungen sowohl mit mathemati­schen als auch mit experimentellen Methoden voranzutreiben. Insbesondere die Nutzung der Rechenkapazitäten des Jülicher Supercomputers führt zu Simulationsergebnissen von höchster Qualität und erlaubt die passgenaue Vorhersage des Betriebsverhaltens neuer  Detailkonstruktionen komplexer Energiewandler. Es werden die Abläufe von der Material- (μm) über die Zell- (mm) und Stack- (cm) bis hin zur Systemskala (m) simuliert.

Modellierung auf Systemebene

Systemschaltbild für die Bordstromversorgung mit einer HT-PEFC und einer autothermen Reformierung von Mitteldestillaten

Im Rahmen der Entwicklung von Bordstromversorgungssystemen auf Basis von HT-PEFC und autothermer Reformierung werden stationäre chemisch-thermodynamische Prozesssimulationen mit dem Programm Pro/II durchgeführt. Zusätzlich zu den Kernsystemkomponenten werden die Wärmetauscher zur integrierten Wärmerückgewinnung sowie Pumpen und Verdichter zur Überwindung des Systemdruckverlusts berücksichtigt. Neue Prozessführungen können so auf Plausibilität geprüft und optimale Prozesslayouts identifiziert werden. Die Evaluierung stützt sich u. A. auf die insgesamt benötigte wärmeübertragende Fläche, die Wasserbilanz, die Teilwirkungsgrade sowie den Gesamtsystemwirkungsgrad. Die modellgestützte Optimierung umfasst darüber hinaus die Verbesserung der Wärmeintegration mit Hilfe der Pinch-Point-Methode sowie Sensitivitätsanalysen bezüglich kritischer Prozessparameter.

Realitätsnahe, transiente Betriebsbedingungen, wie sie während des Anfahrvorgangs oder bei Lastwechseln auftreten, werden ebenfalls mit der Systemmodellierung abgebildet. Die dynamische Systemmodellierung bildet damit die Grundlage für die Entwicklung von Betriebs- und Regelungsstrategien. Dazu kommen eigene, für die Simulationsumgebung Matlab/ Simulink entwickelte Modelle zum Einsatz. Dadurch lassen sich zusätzlich benötigte Komponenten (z.B. eine Starteinrichtung) identifizieren. Ebenso wird die Auswahl der Komponenten dadurch unterstützt, dass sie abseits des Auslegungspunkts bewertet werden können.

Modellierung auf Stackebene

Auf Stackebene werden exemplarisch die Simulation von Brennstoffzellen und – in dieser Größenskala – Reformer beschrieben.

Für den Betrieb von größeren Brennstoffzellenstapeln ist u. a. ein aktives Temperaturmanagement für ein optimales Betriebsverhalten notwendig, da die entstehende Reaktionswärme auch abgeführt werden muss. Temperaturmessungen mit Hilfe von Temperatursensoren, die in einer Messplatte integriert sind, liefern aber nur ein äußerst unvollständiges Bild der lokale Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels.

Alternativ bietet sich eine Untersuchung der Temperaturverteilung der HT-PEFC mit Hilfe numerischer Methoden an. Ziel ist es, die Eigenschaften der Brennstoffzellenstapel zu optimieren. Dabei müssen vor allem Faktoren aus der Strömungsmechanik mit Einflüssen der Reaktionskinetik kombiniert werden. Dazu wird ein geeignetes Modell der zu untersuchenden HT-PEFC erstellt und anschließend mit der CFD-Software ANSYS Fluent simuliert.

Temperaturverteilung in der Mitte eines HT-PEFC Stapels

Im Rahmen der CFD gestützten Entwicklung der Kernkomponenten der Brenngaserzeugung werden die Gesamtmodelle der Reaktoren modelliert. Die Modellierung mit ANSYS FLUENT dient hierbei zur Untersuchung der thermodynamischen Wechselwirkungen zwischen der Eduktvorbereitung, der Reaktion und der Eduktnachbereitung innerhalb der Reaktoren. Somit ist die Modellierung von Gesamtmodellen grundlegend für die Auslegung von integrierten Wärmetauschern und für die Optimierung eines kompakten Komponentendesigns. Aufgrund der unterschiedlichen auftretenden physikalischen Phänomene erfordert die Modellierung einer vollständigen Kernkomponente neben einer Standard-Modellbibliothek, die Einbindung von Turbulenzmodellen, Modellen für Mehrphasenströmungen inklusive der Beschreibung von Wärmeübertragung und Phasenübergangsphänomenen, sowie Modellen zur Beschreibung chemischer Reaktionen. Die Berechnung dieser komplexen Gesamtmodelle erfolgt auf dem Jülicher Supercomputer JUROPA.

Geschwindigkeitsprofil im Gesamtmodell der Kerosinverdampfung und der Gemischbildung zur autothermen Reformierung

Modellierung auf Zellebene

Auf dieser Größenskala werden ebenfalls – wie bei der Stackmodellierung – die Simulation sowohl von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstacks als auch Komponenten eines Reformers beschrieben.

Ein HT-PEFC Stapel besteht aus mehreren Einzelzellen. Auf der Ebene der Zelle kommt der lokalen Verteilung der Gase über die aktive Fläche der Membran-Elektroden-Einheit eine zentrale Rolle zu. Die resultierende Stromdichteverteilung und Temperaturverteilung sind wesentliche Kriterien zur Bewertung einer optimalen Konfiguration.

Links: Temperaturverteilung in der Mitte der Einzelzelle   / Rechts: Temperaturverteilung an der Oberfläche einer Testzelle

Als grundlegende Ebene der CFD Modellierung für die Kernkomponenten der Brenngaserzeugung werden Teilmodelle der unterschiedlichen Reaktoren ausgelegt und berechnet. Die Modellierung von Teilmodellen erfolgt dabei sowohl zur Konstruktion der  Komponenten, als auch zur Modellbildung und Modellvalidierung. Im Rahmen der Modellbildung werden einzelne physikalische Phänomene räumlich und zeitlich hochdiskretisiert abgebildet und untersucht. CFD Teilmodelle werden dabei unter anderem zur Untersuchung von  chemischen Reaktionen, hochdynamischen Einspritzvorgängen (siehe Abbildung 3) und Phasenübergangsphänomenen an Wärmetauscherwänden eingesetzt. Die CFD Simulationen werden durch Labor- und Strömungsvisualisierungsexperimente mittels Hochgeschwindigkeitsmikroskopie validiert. Die Berechnung der hochdiskretisierten Teilmodelle erfordert den Einsatz des Jülicher Supercomputers JUROPA.

Teilmodell der Kerosineinspritzung

Materialmodellierung

In Gas-Diffusions-Layern (GDL) werden Transportprozesse mit Hilfe der Lattice-Boltzmann(LB)-Methode simuliert. Ziel dieser Arbeiten ist die Identifikation von GDL.-Strukturen, die eine möglichst optimale Arbeitsweise von Brennstoffzellen unterstützen.

Das  Bild zeigt exemplarisch die Simulation des Transportes von Wasserdampf durch einen 0,7mm x 0,7mm großen Ausschnitt der GDL einer Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzelle (HT-PEFC

Das Bild zeigt exemplarisch die Simulation des Transportes von Wasserdampf durch einen 0,7mm x 0,7mm großen Ausschnitt der GDL einer Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzelle (HT-PEFC). Für die Durchführung solcher Simulationen ist die Nutzung von Supercomputern unerlässlich.

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