Institutsbericht 2021
2.2
Institute of Computational Physics
DeMaPEM: Entwicklung und Vermarktung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen für Transportanwendungen
In diesem Projekt entwickeln wir Simulationslösungen von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) für Transportanwendungen. Zur Vorbereitung der Vermarktung von Modellen und Simulationsdiensten haben wir eine Webseite mit kundenorientierten Produktbeschreibungen erstellt. Darüber hinaus arbeiten wir an einem Businessplan. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
R. Herrendörfer, J. O. Schumacher Paul Scherrer Institut (PSI) BFE 2019–2021
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) haben das Potenzial, fossile Kraftstoffe durch reinen Wasserstoff zu ersetzen und damit zu einer wesentlichen Dekarbonisierung des Verkehrssektors zu führen. Das Ziel dieses Projektes ist es, an der internationalen Wertschöpfungskette von brennstoffzellenbetriebenen Transportanwendungen teilzunehmen. Wir bereiten die Vermarktung von Berechnungslösungen vor, die auf die Bedürfnisse von Unternehmen und Forschungsinstituten zugeschnitten sind, mit einem Fokus auf Membran-ElektrodenEinheiten (MEAs) und Einzelzellen-PEMFCs. In Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut haben wir ein Modell zur Simulation der Verdunstung innerhalb einer Gasdiffusionsschicht (GDL) in Kontakt mit einem Gasströmungskanal (GFC) entwickelt (Abbildung 1). In unserem isotropen und isothermen 2-D-Modell entlang des Kanals (Abbildung 1b) wird die Verdampfung bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten durch Konvektion in der GFC und bei hohen Gasgeschwindigkeiten hauptsächlich durch Diffusion senkrecht durch die GDL begrenzt (Abbildung 3), was durch Normalisierung der Ergebnisse für verschiedene Temperaturen und Trägergasarten demonstriert wird (Abbildung 2). Es zeigt sich, dass nicht-isotherme Effekte bei hohen Verdunstungsraten bei hohen Temperaturen, Gasgeschwindigkeiten und Diffusionskoeffizienten wichtig werden. Der Vergleich mit dem 3-D-Modell zeigt, dass der Beitrag der Verdampfung unterhalb der Rippe nicht vernachlässigt werden kann. Um unsere Modelle weiter zu verbessern, haben wir eine neue Randbeschreibung des Flüssigwasserflusses an der Grenze zwischen einer Gasdiffusionsschicht und einem Gasströmungskanal in ein zeitabhängiges 1-D-Modell implementiert, welches die Bildung, das Wachstum und die Ablösung von Tröpfchen einschliesst. Zur Vorbereitung der Vermarktung von Modellen und Simulationsdienstleistungen haben wir eine Webseite mit kundenorientierten Produktbeschreibungen erstellt. Die Webseite richtet sich an Partner aus Industrie und Wissenschaft. Wir arbeiten derzeit an einer ersten Version eines Businessplans. Um die
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Sichtbarkeit unserer Produkte weiter zu erhöhen, haben wir unser Open-Source 1-D-Master-MEA-Modell über ein Github-Software-Repository zugänglich gemacht (https://github.com/Isomorph-Electrochemical-Cells/PEMFC-1DMMM).
Abbildung 1: Aufbau des (a) 3-D- und (b) 2-D-Modells der Verdampfung in einer GDL in Kontakt mit einem Gasströmungskanal.
Abbildung 2: Normierte Verdunstungsraten in Abhängigkeit von normierten Gasgeschwindigkeiten. Die Normalisierung basiert auf konvektiven und diffusiven Transportlimitierungen bei niedrigen bzw. hohen Gasgeschwindigkeiten.
Abbildung 3: 2-D-Modellergebnisse bei hohem U/Un: relative Feuchte RH (links) und diffusiver (D) und konvektiver (C) durch die Ebene (tp) und in der Ebene (ip) normalisierter Wasserdampffluss.
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