Zentrum für
BrennstoffzellenTechnik
ZBT GmbH

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Dipl.-Ing. Jens Wartmann

Abteilungsleiter

Mikrosysteme und Strömungsmechanik

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Flow-Field-Optimierung

Nutzung von CFD-Programmen für die Simulation von Medienströmung in Verteilungskanälen

Die Bipolarplatte hat in der PEM-Brennstoffzelle neben der elektrischen Kontaktierung der Elektroden und der Verbindung benachbarter Zellen die Aufgabe, die Reaktionsmedien in die Reaktionszone zu leiten. Zur optimalen Auslegung dieser Gaszuführung und -verteilung sind numerische Simulationen notwendig, da verschiedene, zum Teil gegensätzliche Anforderungen erfüllt werden müssen. So wird einerseits ein niedriger Druckverlust für geringen peripheren Stromverbrauch verlangt. Andererseits muss entstehendes Flüssigwasser entfernt werden, um die Blockade einzelner Kanäle durch Wassertropfen zu verhindern. Dazu ist ein hoher Druckverlust hilfreich. Weiterhin müssen die Reaktionsmedien möglichst gleichmäßig in die Reaktionszone transportiert werden, was intuitiv nach geringen Stegbreiten verlangt, während die elektrische Kontaktierung gewährleistet sein muss, welche möglichst breite Stege bevorzugt.

Hierzu wird mittels Computer Aided Design (CAD) ein Model des Brennstoffzellenstacks entwickelt und mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) die Strömung in dem Model berechnet. 

Brennstoffzellen-Stack aus fünf Zellen
Brennstoffzellen-Stack aus fünf Zellen
CAD Model der gasführenden Kanäle
CAD Model der gasführenden Kanäle
CFD-Simulation der Geschwindigkeitsverteilung im Flowfield einer Bipolarplatte
CFD-Simulation der Geschwindigkeitsverteilung im Flowfield einer Bipolarplatte

Es werden so verschiedene Geometrien virtuell getestet bevor diese zeit- und kostenaufwändig als Prototypen gefertigt werden. Ziel der Untersuchungen sind die Analyse der Gasverteilung in Brennstoffzellen-Flowfields, das Erstellen von Richtlinien zur Flowfield-Auslegung, die Optimierung der Gasverteilung und Reduktion des Druckverlusts.

Aus einer Betrachtung der Elektrochemie in der Brennstoffzelle kann nun die Leistung und Strom-Spannungs-Charakteristik berechnet werden.

Druckverlust der 50cm<sup>2</sup>-Bipolarplatte, Kathodenseite: Vergleich zwischen Simulation, Experiment und Theorie
Druckverlust der 50cm2-Bipolarplatte, Kathodenseite: Vergleich zwischen Simulation, Experiment und Theorie
Strom-/ Spannungs-Kennlinie und Leistungsverhalten einer HTPEM-Brennstoffzelle – Gemessene Werte (grau) und Simulationsergebnisse (Schwarz). [aus C. Siegel et al. J. Power Sources 196, 2011, 2735-2749]
Strom-/ Spannungs-Kennlinie und Leistungsverhalten einer HTPEM-Brennstoffzelle – Gemessene Werte (grau) und Simulationsergebnisse (Schwarz). [aus C. Siegel et al. J. Power Sources 196, 2011, 2735-2749]

Eingesetzte CFD Softwarepakete für Strömungsberechnung am ZBT

  • CFD-ACE+
  • Fluent
  • COMSOL Multiphysics
Letzte Änderung:  31.08.2016