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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Modellierung und Simulation

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Charakterisierung des Stofftransportes in Kanalstrukturen poröser Medien und der Auswirkung auf den elektrochemischen Umsatz.

• Experimentelle Charakterisierung der Strömungsverhältnisse in Kanälen und porösen Strukturen
• Simulation des Stofftransportes in porösen Materialien mit Lattice Boltzmann
• Zellsimulationen mit Computational Fluid Dynamics (CFD)

Eine günstige Verteilung fluider Medien innerhalb von Brennstoffzellen zu erreichen ist eines der wichtigsten Ziele, um hohe Wirkungsgrade und geringe Alterung zu erreichen. Dabei strömen die Fluide sowohl durch Kanalstrukturen als auch durch poröse Bereiche. Je nach Typ der Brennstoffzelle treten nur gasförmige Stoffe (HT-PEFC) als auch Flüssigkeiten und Gase (PEFC, DMFC) auf. Für die Charakterisierung der Strömung werden neben experimentellen Untersuchungen auch verschiedene Simulationstechniken eingesetzt. Die Lattice-Boltzmann-Methode findet hier besonders bei der Charakterisierung des Einflusses stochastischer Materialien in porösen Schichten Anwendung [1,2]. Bild 1 zeigt beispielhaft die Geschwindigkeitsverteilung eines Fluides bei der Durchströmung einer durch ein stochastisches Modell generierten GDL.

Verteilung der Fluidgeschwindigkeit in einer durch ein stochastisches Modell generierten GDL / Rechengitter: 1500 x 1500 x 240 für eine GDL von 1.25 mm x 1.25 mm x 200 µmBild 1: Verteilung der Fluidgeschwindigkeit in einer durch ein stochastisches Modell generierten GDL / Rechengitter: 1500 x 1500 x 240 für eine GDL von 1.25 mm x 1.25 mm x 200 µm

Für das Verhalten ganzer Zellen bzw. Zellstapel werden Varianten der klassischen numerischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) eingesetzt [3,4]. Bild 2 zeigt exemplarisch das Rechengitter einer Strömungsverteiler-Platte, welches aus 3 parallel verlaufenden Mäander-Kanälen besteht.

 Rechengitter eines 3-fach Mäanders (Strömungsverteiler-Platte) einer typischen ZelleBild 2: Rechengitter eines 3-fach Mäanders (Strömungsverteiler-Platte) einer typischen Zelle

Dies ist eine typische Konfiguration, welche eine relative gleichmäßige Versorgung der aktiven Zellfläche realisiert. Dabei erzeugen die Kanäle eine im ersten Schritt eine grobe Verteilung über die geometrische Zellfläche. Im Anschluss daran befindet sich eine poröse Schicht, die sogenannte GDL (engl.: gas diffusion layer), welche für die Feinverteilung zur Katalysatorschicht hin zuständig ist. Die Strömungseigenschaften dieser Schicht werden wie oben beschrieben im Detail mit der Lattice Boltzmann Methode untersucht und finden hier als effektive Parameter Verwendung. Typische Fragestellungen an die Simulation sind zum Beispiel die Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung in den Gaskanälen, wie in Bild 3 gezeigt.

Betrag der Geschwindigkeit für die Strömungsverteilung auf der KathodenseiteBild 3: Betrag der Geschwindigkeit für die Strömungsverteilung auf der Kathodenseite

In Bild 3 ist an der Unterseite die dünne Schicht der GDL zu erkennen. Die Druckdifferenz in den einzelnen Kanalabschnitten erzeugt eine Querströmung im porösen Medium, welche in Bild 4 dargestellt ist. Dieser Effekt trägt wesentlich zur Homogenisierung der Gasverteilung bei und ermöglicht für Brennstoffzellen vom Typ PEFC einen effektiven Austrag des zum Teil flüssig anfallenden Reaktionswassers.

Betrag der Fluid-Geschwindigkeit in der porösen Schicht (GDL)Bild 4: Betrag der Fluid-Geschwindigkeit in der porösen Schicht (GDL)

Abschließend ist es die Aufgabe der CFD Simulation aus der resultierenden Konzentration an der Katalysatorschicht die Verteilung der Stromdichte zu berechnen, wie in Bild 5 gezeigt.

Verteilung der lokalen Stromdichte an der Grenzfläche zur Katalysatorschicht der KathodeBild 5: Verteilung der lokalen Stromdichte an der Grenzfläche zur Katalysatorschicht der Kathode


[1] D. Froning, J. Yu, G. Gaiselmann, U. Reimer, I. Manke, V. Schmidt, W. Lehnert; Impact of compression on gas transport in non-woven gas diffusion layers of high temperature polymer electrolyte fuel cells, J. Power Sources 318 (2016) 26-34

[2] D. Froning, G. Gaiselmann, U. Reimer, J. Brinkmann, V. Schmidt, W. Lehnert; Stochastic Aspects of Mass Transport in Gas Diffusion Layers, Transp. Porous Med. 103 (2014) 469–495

[3] Q. Cao, S. B. Beale, U. Reimer, D. Froning and W. Lehnert; The importance of diffusion mechanisms in high temperature polymer electrolyte, fuel cells, ECS Transactions, 69 (17) 1089-1103 (2015)

[4] Kvesic, U. Reimer, D. Froning, L. Lüke, W. Lehnert, D. Stolten, 3D Modeling of a 200 cm² HT-PEFC short stack, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37 (2012) 2430-2439

[5] C. Tötzke, G. Gaiselmann, M. Osenberg , J. Bohner, T. Arlt, H. Markötter, A. Hilger, F. Wieder, A. Kupsch, B. R. Müller, M. P. Hentschel, J. Banhart , V. Schmidt, W. Lehnert, I. Manke, Three-dimensional studies on compressed gas diffusion layers using synchrotron x-ray imaging. Journal of Power Sources 253 (2014) 123-131


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