Optimierung

Elektrischen Strom aus grünem Wasserstoff machen – mit Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen geht das schon sehr effizient. Aber da lässt sich natürlich immer noch an dem einen oder anderen Schräubchen drehen: Zum Beispiel schlummert in einem optimierten Flüssigwassermanagement noch erhebliches Potenzial für Effizienzsteigerungen.

Das Problem: Ansammlungen von Produktwasser behindern den Sauerstofftransport, mindern die Leistung und können die Lebensdauer der Brennstoffzellen verkürzen. Besonders kritisch ist die ungleichmäßige Wasserverteilung in den porösen Gasdiffusionslagen und den angebundenen Kanalstrukturen. Aktuell verfügbare simulative Methoden sind aufgrund der Komplexität der Strukturen und physikalischen Phänomene nicht ausreichend akkurat, um eine industrienahe Optimierung zu ermöglichen.

Neue Flowfield-Designs ermöglichen

Das Projekt FLOWMEX verfolgt das Ziel, das Wassermanagement in Brennstoffzellen grundlegend zu verbessern. Im Zentrum steht die Entwicklung und Validierung eines neuen, recheneffizienten Simulationswerkzeugs, das den Transport von Flüssigwasser in Gasdiffusionslagen und Flowfield-Kanälen realistisch abbildet. Mithilfe dieser Modelle werden neue Flowfield-Designs entwickelt, konstruktiv bewertet und in Test-Brennstoffzellen validiert.

Das Simulationsmodell wird als Open-Source-Tool bereitgestellt. So wird auch kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) die Möglichkeit gegeben, Komponenten effizienter und ohne teure Hochleistungsrechner oder kommerzielle Software zu entwickeln.

Methoden kombinieren

Experimentelle Untersuchungen: Optische Strömungsmessungen, laser-optische Verfahren (µPIV, LDV) sowie elektrochemische Tests an eigens gefertigten Testzellen

Numerische Methoden: Kopplung von Porennetzwerk- und Diskreten-Partikel-Modellen, Validierung mit hochaufgelösten VOF-Simulationen und Strömungsmessdaten

Design & Transfer: Entwicklung und Bewertung neuer Flowfield-Strukturen, Fertigung von Test-BZ und Bereitstellung des Simulationsmodells über eine nutzerfreundliche Weboberfläche

Innovationskraft stärken

FLOWMEX liefert praxisnahe Designprinzipien für Bipolarplatten und Flowfields, mit denen erhebliche Leistungssteigerungen von 20 bis 30 Prozent möglich sein könnten. Für die Brennstoffzellentechnik entwickelt, kann das Simulationsmodell auch auf andere Felder übertragbar sein – etwa Elektrolyse, Filtration oder Medizintechnik.

Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zum Markthochlauf der Wasserstofftechnologien und stärkt insbesondere die Innovationsfähigkeit von KMU in Deutschland.

Daten

Projekttitel:

• • FLOWMEX – FLOWfield-Strukturierung zur Verbesserung des Wassertransportes in Brennstoffzellen mithilfe Modellbasierter und EXperimenteller Methoden

Projektlaufzeit:

• • 2025 bis 2027

Partner:

• • ZBT – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik
  • Lehrstuhl Strömungsmechanik (LSM) der Bergischen Universität Wuppertal