Mathematische Modelle ermöglichen den Einblick in die physikalischen und chemischen Vorgänge innerhalb der Brennstoffzelle und liefern die Basis für die Entwicklung und Etablierung völlig neuer Ansätze. Sie stellen eine wichtige Säule innerhalb der Brennstoffzellenforschung dar, von der Entwicklung bis hin zur Systemoptimierung. Die computergestützte Simulation hilft, Entwicklungszeit und -kosten durch zielgerichtete Optimierung zu reduzieren und führt zum Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse in der Brennstoffzelle. Neben der Modellentwicklung wird auch deren experimentelle Überprüfung gewährleistet. Die Ergebnisse dieser experimentell gestützten Modellierungsarbeiten fließen direkt in die ZSW-Entwicklungsarbeiten ein. Darüber hinaus werden zahlreiche Modellierungen im Auftrag der Industrie durchgeführt.
Komplementär zur experimentellen Bestimmung der Wasserverteilung in der Gasdiffusionslage werden am ZSW Modellierungstechniken verwendet und weiterentwickelt. Neben makroskopischen Ansätzen, wie sie im Rahmen einer CFD-Modellierung eingesetzt werden, wird am ZSW auch eine ortsaufgelöste Modellierung der zu erwartenden Wasserverteilung innerhalb einer GDL durchgeführt. Hierzu wird ein speziell entwickeltes und auf Monte-Carlo Methoden (MC) basierendes Modell verwendet, welches in einem kontinuierlich gepflegten und weiterentwickelten in-house Simulationscode zur Verfügung steht. Mit diesem Modell können die Betriebsbedingungen der Zelle und die Struktur- und Benetzungseigenschaften der Materialien abgebildet werden. Das Simulationsmodell ist flexibel auf Kundenwunsch erweiterbar.
Der Einsatz von CFD-Modellierungen (CFD = Computer-Fluid-Dynamic) im Rahmen der Brennstoffzellenentwicklung wurde am ZSW weit entwickelt und umfasst praktisch alle Fragestellungen vom der Dimensionierung von Medienverteilerkanälen in der Bipolarplatte bis zu ganzen Brennstoffzellen-Stacks.
Unter bevorzugtem Einsatz der Modellierungssoftware Fluent™ (einschließlich der Nutzung nutzerdefinierter Funktionen (UDF) sowie des Fluent™ Fuel Cell Moduls können wir praktisch alle Themen im Bereich des Zell- und Stackdesigns bearbeiten. Dies umfasst beispielsweise die Ermittlung und Optimierung lokaler Medienkonzentrationsverteilungen und Stromdichten im Rahmen der Entwicklung von Zelldesigns. In erweiterten Ansätzen können auch lokale GDL-Effekte berücksichtigt sowie 2-Phasen-Strömungen in Kanälen (VOF) untersucht werden (s. Abb. oben). Weiterhin können mittels CFD-Modellierung existierende Designs untersucht und optimiert werden (s. Abb. rechts).
Mit numerischen Simulationstechniken (FEM = Finite-Elemente-Methode (FEM) können Brennstoffzellenkomponenten hinsichtlich Gewicht und Volumen schon bei der Konstruktion, insbesonders im Bereich der Stack-Verspannung, optimal ausgelegt werden. Des Weiteren können funktionale Komponenten wie Bipolarplatten bereits vorab auf die im Brennstoffzellenbetrieb erwartbaren Belastungen untersucht werden und entsprechend Abmessungen, Gewicht und Zuverlässigkeit optimiert werden.
Desweiteren verfügt das ZSW über Modellierungstechniken, die einen herausragenden Ansatz zur Optimierung und –vereinfachung von ganzen Brennstoffzellen-Systemen liefern. Wir können im Hinblick auf stationäre und instationäre Systemzustände modellmäßige Vorhersagen ermitteln und damit in iterativen Prozessen ein optimiertes System entwickeln und aufbauen.
Lesen Sie mehr in den Kapiteln Systementwicklung und Prototypen.
Stationäre Zustände von Brennstoffzellen-Systemen werden am ZSW mit dem Programm Ipse-Pro simuliert, welches eine umfassende Modellierung auch komplexer Systeme erlaubt und so eine genaue vergleichende Beurteilung verschiedener Systemkonzepte ermöglicht. Zur Untersuchung der Dynamik von Brennstoffzellen-Systemen erfolgt die Simulation bevorzugt mit der Software Matlab-Simulink.
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