Open Source Zell- und Stacksimulationen mit Computational Fluid Dynamics (CFD)

Ein Fokus ist die Modellierung und Simulation von der Zellkomponente bis zum Stack. Neben verschiedenen Simulationsmethoden, angepasst an die Aufgabenstellung, ist die Methoden- und Skalenkopplung eine wesentliche Herausforderung, welcher sich die Abteilung gestellt hat. Die Komplexität der Aufgabenstellung verbunden mit der hohen geforderten räumlichen Auflösung der Simulationen erfordert eine anspruchsvolle Rechnerinfrastruktur. Im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) werden High Performance Computer (HPC) sowohl der RWTH als auch des Forschungszentrums Jülich verwendet, um numerische Lösungen zu generieren. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeiten ist, dass sowohl die Simulationen als auch die zugrundeliegenden Modelle im Sinne einer wissenschaftlichen Transparenz nachvollziehbar sind. Dies ist ein wesentlicher, wenn nicht sogar der ausschlaggebende Grund, dass kommerzielle Software für unsere Arbeiten an Bedeutung verloren hat. Der Fokus liegt deshalb seit einigen Jahren im Bereich von Open Source Software. Der wünschenswerte Austausch mit anderen Forschergruppen konnte hiermit deutlich verstärkt werden.

Detaillierte 3-D-Modelle von elektrochemischen Komponenten können verwendet werden, um lokale Verhaltensweisen und Eigenschaften zu identifizieren, die in Experimenten nur sehr schwer oder gar nicht gemessen werden können. Die aus solchen numerischen Simulationen gewonnenen Informationen sind ein unverzichtbares Werkzeug in Forschung und Entwicklung elektrochemischer Wandler. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde ein umfassendes Zellmodell auf Basis des objektorientierten Open-Source-Paketes OpenFOAM® entwickelt. Das Modell ist in der Lage, einphasige und/oder zweiphasige Strömungen zu berücksichtigen, die in Brennstoff-/Elektrolysezellen mit elektrochemischen Reaktionen, Stoff- und Wärmeübertragung auftreten. Es basiert auf der Kontinuumsannahme und verwendet die Finite-Volumen-Methode. Als Beispiel sei die Modellierung und Simulation eines alkalischen Wasserelektrolyseurs genannt.

Alkalische Wasserelektrolyse

Eine detaillierte 3D Simulation einer alkalischen Wasserelektrolysezelle wurde durchgeführt und auf der Grundlage von intern gesammelten experimentellen Daten validiert. Die beiden Hauptziele der Arbeit waren die Vorhersage lokaler Konzentrationsunterschiede des Kaliumhydroxids und die Bildung der erzeugten Gase, die das Verhalten und die Leistung der Zelle erheblich beeinflussen. Die Simulationen der Zweiphasenströmung auf der Kathoden- und Anodenseite basieren auf dem Euler-Euler-Ansatz, wobei der Massentransport, der Impulsaustausch und die Wärmeübertragung zwischen der Gas- und Flüssigphasen zusammen mit den lokalen Stoffkonzentrationen beschrieben wird. Die elektrochemischen Reaktionen werden durch die Butler-Volmer-Gleichung charakterisiert, wobei davon ausgegangen wird, dass sie an Elektroden endlicher Dicke, d.h. innerhalb eines definierten Volumens, ablaufen. Darüber hinaus werden die Eigenschaften innerhalb der verschiedenen porösen Schichten, wie Tortuositäten und Permeabilitäten, als isotrop betrachtet. Die Simulationen wurden auf der HPC-Hardware von JARA durchgeführt.

Zellgeometrie einer "Zero-Gap"-Zelle (links) und Wassersättigung auf der Anodenseite (rechts)
Zellgeometrie einer "Zero-Gap"-Zelle (links) und Wassersättigung auf der Anodenseite (rechts)

Literatur:

Shidong Zhang, Steven B. Beale, Uwe Reimer, Martin Andersson, Werner Lehnert
Polymer electrolyte fuel cell modeling – A comparison of two models with different levels of complexity, J. Hydrogen Energy 45 (2020) 19761-19777
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.05.060

S. Zhang, U. Reimer, S.B. Beale, W. Lehnert, D. Stolten
Modeling Polymer Electrolyte Fuel cells: A High Precision Cell Analysis, Applied Energy. Applied Energy 233–234 (2019) 1094–1103
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.10.026

M. Andersson, S.B. Beale, M. Espinoza, Z. Wu, W. Lehnert
A review of cell-scale multiphase flow modeling, including water management, in polymer electrolyte fuel cells.. Applied Energy, 180 (2016) 757–778
http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.010

Letzte Änderung: 18.05.2022