Institutsbericht 2020
Institute of Computational Physics
DeMaPEM: Entwicklung und Vermarktung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen für Transportanwendungen Im Projekt DeMaPEM entwickeln und vermarkten wir rechnerische Lösungen von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen für Transportanwendungen: ein 1-D-parametrisiertes Modell der Membran-Elektroden-Einheit und ein 3-D-Einzelzellenmodell. Das Ziel ist eine schnellere und kosteneffizientere Produktentwicklung in der Brennstoffzellen-Lieferkette. Die Vermarktung der Modelle erfolgt über isomorph.ch. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
J. O. Schumacher, O. Ilie, R. Herrendörfer Bundesamt für Energie 2019–2021
Im Rahmen der bundesrätlichen Energiestrategie 2050 haben die Eidgenössischen Räte eine Totalrevision des Energiegesetzes verabschiedet und eine drastische Reduktion der CO2-Emissionen für private und gewerbliche Strassenfahrzeuge gefordert. Unsere Vision ist es, zum Erreichen dieses ehrgeizigen Ziels beizutragen, indem wir das Aufkommen der Brennstoffzellentechnologie als wettbewerbsfähige und emissionsfreie elektrische Energieversorgung vorantreiben. Niedertemperatur-Polymeraustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) haben das Potenzial, fossile Brennstoffe durch reinen Wasserstoff zu ersetzen und damit zu einer erheblichen Dekarbonisierung des Verkehrssektors zu führen. Das Ziel dieses Projekts ist es, dem ICP die Teilnahme an der internationalen Wertschöpfungskette von brennstoffzellenbetriebenen Transportanwendungen zu ermöglichen. Wir entwickeln und vermarkten rechnerische Lösungen, die auf die Bedürfnisse von Unternehmen und Forschungsinstituten zugeschnitten sind. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) und Einzelzellen-PEMFCs. Unsere rechnerischen Lösungen in diesem Projekt, ein 1D-parametrisiertes MEA-Modell und ein 3D-Einzelzellenmodell (3D-SCM) einer PEMFC, zielen auf eine schnellere und kosteneffizientere Produktentwicklung in der Brennstoffzellen-Lieferkette ab. Diese Lösungen werden auf isomorph.ch angekündigt, um sie für mögliche Industriepartner sichtbar zu machen. Das 3D-SCM umfasst Gasflusskanalplatten und eine MEA (Abbildung 1). Unser Ziel ist es, die makroskopische Beschreibung des Flüssigwassertransports an der Grenzfläche zwischen Gasdiffusionsschicht und Gaskanälen zu verbessern. Dies ist besonders bei hohen Stromdichten wichtig, bei denen Wasser in der Kathoden-Katalysatorschicht erzeugt wird. Das 3D-SCM ermöglicht die Analyse des Wasser- und Wärmemanagements der Zelle, einschließlich der Temperaturverteilung (Abbildung 2) und des Wassergehalts der Membran im Verhältnis zu den Gaskanälen und Rippen. Bei steigender Stromdichte trocknet die Anodenseite der
Zürcher Fachhochschule
Membran aufgrund des zunehmenden elektro-osmotischen Widerstands aus (Abbildung 3 a-d).
Abb. 1: Modellaufbau des 3D-SCM. (a)
(b)
Abbildung 2 (a): Temperaturverteilung bei 0,025 V Zellspannung, (b) Wärmefluss in Anoden- und Kathoden-Bipolarplatte mit zunehmender Stromdichte. 1.1 V
0.5 V
(a)
(c)
0.75 V
0.25 V
(b)
(d)
Abb. 3: Wassergehalt der Membran bei vier verschiedenen Zellspannungen.
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