Untersuchungen an Brennstoffzellen
Innerhalb der letzten 2 Jahre wurden von der MET GmbH neuartige Simulationswerkzeuge entwickelt für die Analyse und Optimierung des Flowfield einer Gasverteilerplatte bei Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht, des Wassertransports und der Anordnung von Membranpumpen zur Wasserausschleusung, des Energiemanagements durch Isolierung, Kopplung von Systemkomponenten und Verwendung externer Wärmetauscher sowie eines Wasserstoffgenerators auf der Basis von wasserreaktiven Hydriden.
Ein Schwerpunkt der vom BMBF (FKZ 03F0466F) geförderten Entwicklungsarbeiten war die Neuentwicklung einer H2/H2O2-Brennstoffzellenanlage in Kooperation mit der ATI Küste GmbH und der TU Berlin, welche als Überwasser- oder Unterwassersystem zur Stromversorgung spezieller Messtechnik (z.B. Tsunami-Frühwarnsysteme) eingesetzt werden sollen. Die in dem Projekt generierten Simulationswerkzeuge konnten erfolgreich für die Entwicklung eines Prototyps verwendet werden, indem z.B. das Flowfield der Gasverteilerplatten und der Wirkungsgrad des Wasserstoffgenerators maßgeblich verbessert werden konnten.
Für die Simulation der Prozesse im Wasserstoffgenerator wurde ein Reaktionskinetikmodell der Wasserstoffentstehung entwickelt und in CFD-Modelle implementiert. Die Strömung, der Druckverlust und der Reaktionsfortschritt wurden für verschiedene Reaktorvarianten simuliert. Aus dem Ergebnis der ausgeführten Simulationsrechnungen wurden Empfehlungen zur konstruktiven Gestaltung eines Wasserstoffgenerators (z. B. geometrische Details, notwendige Kanallängen für das Erreichen eines vorgegebenen Reaktionsfortschritts) abgeleitet.
Das Wasser- und Energiemanagement wurde ebenfalls analysiert und durch verschiedene Maßnahmen, wie z.B. die Veränderung der Anordnung von Membranpumpen, des Kühlkreislaufs und der Materialauswahl des Wasserstoffgenerators erfolgreich optimiert.
Die erarbeitete Simulationsmethodik sowie die entwickelten fluidmechanischen, thermodynamischen und reaktionskinetischen Analyse- und Auslegungswerkzeuge für wesentliche Bauteilkomponenten von Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstacks und Wasserstoffgeneratoren bieten eine gute Grundlage, zukünftige Anforderungen an ein Brennstoffzellensystem und die sich daraus ergebenden Randbedingungen, wie die stationären Zustände aber auch die instationären Vorgänge wie Anfahren oder Abschalten zu analysieren.
Damit ergibt sich die Möglichkeit, hochwertige simulationsgestützte Ingenieurdienstleistungen für Brennstoffzellenentwickler und Hersteller auszuführen.
