AiF-FV-Nummer 23927

Flowfield-Strukturierung zur Verbesserung des Wassertransportes in Brennstoffzellen mithilfe modellbasierter und experimenteller Methoden

Status & Laufzeit

Laufend: 01.07.2025 bis 31.12.2027

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Produktwasser in NT-PEM-Brennstoffzellen wird in der Kathodenkatalysatorschicht zwischen Membran und Gasdiffusionslage (GDL) gebildet, kondensiert je nach Betriebsbedingungen größtenteils innerhalb der GDL, vorzugsweise an der kühlsten Stelle unter den Stegen, und muss über die GDL in die Gaskanäle geleitet und von dort aus der Zelle transportiert werden. Kommt es zu übermäßigen Anreicherungen von Flüssigwasser in der Zelle werden der Gastransport eingeschränkt und die Zellverluste erhöht, was ebenfalls zu Lebensdauereinbußen führt. In diesem Vorhaben soll der Flüssigwassertransport in GDLs und Strömungskanälen (und speziell deren Interaktion) in NT-PEM-BZ mithilfe von Strömungsmessungen und hochaufgelösten Zweiphasensimulationen (LSM) detailliert untersucht und mit diesen Daten eine vereinfachte Simulationsmethode sowie Flowfield-Designs für verbesserten Wassertransport (ZBT) entwickelt werden. Im Vergleich zum Stand der Wissenschaft wird hier speziell der Einfluss von parallelen Kanälen und deren strömungsmechanische Interaktion durch die GDL z.B. bei lokalen Druckunterschieden betrachtet. Da der Flüssigwasserhaushalt eines der physikalisch komplexesten Phänomene und auch heutzutage noch nicht trivial mit messtechnischen oder simulativen Methoden zu erfassen ist, sollen hier verschiedene Messtechniken (Ex-situ Strömungsmessungen, In-situ EIS- und Polarisationsmessungen) sowie Simulationsmethoden (hochaufgelöste VoF-CFD-Strömungssimulation, makrohomogene Multiphysik-3D-CFD, Porennetzwerkmodell mit analytischer Kanalmodellierung) eingesetzt, weiterentwickelt und deren Teilergebnisse zu einem konsistenten Gesamtbild zusammengesetzt werden. Neben dem grundlegenden Erkenntnisgewinn zum Zweiphasentransport in den gekoppelten Domänen (Kanäle + GDL) sind vor allem das recheneffiziente Simulationsmodell und die Designuntersuchungen und -konzepte für Flowfields mit verbessertem Flüssigwassertransport als vordergründig relevant für KMUs einzustufen.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über den Projektträger AiF (bis 2023) bzw. DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.