// 2-Phasen-Strömungssimulationen zum Druckverlust in Brennstoffzellen
Die hohen Leistungsanforderungen an automobile Brennstoffzellendesigns führen zu einer gegenüber älteren Generationen wesentlich erhöhten Bildung von Flüssigwasser bei gleichzeitig sehr schnellen Gasströmungen in den Kanälen der Bipolarplatte (BPP). Daraus resultiert ein kompliziertes Zusammenwirken von z. B. Tropfen-, Pfropfen- und Filmströmung. Letztlich verursacht dies einen deutlich erhöhten Druckverlust der Zelle, der aber aus Gründen der Effizienz des Brennstoffzellensystems unerwünscht ist.
Dieser zusätzliche Druckverlust muss beim Design der Zelle bereits berücksichtigt werden, ist aber mit üblichen einfachen Zweiphasen- Modellen in Strömungssimulationen nicht erfassbar. Explizite Zweiphasen-Modelle wie das Volume-of-Fluid-(VOF)-Modell erlauben dagegen die genaue Abbildung der Realität. Aufgrund des hohen erforderlichen Rechenaufwands müssen die Simulationen teilweise auf mehreren Hundert Rechnerkernen parallelisiert werden. Mit einer systematischen Studie im Rahmen des vom Bundesverkehrsministerium geförderten Projekts AutoStack Industrie wurde am ZSW untersucht, wie verschiedene Modellparameter (Netzfeinheit, Zeitauflösung) zu wählen sind, um die Realität korrekt abzubilden. Auf dieser Basis wird der Einfluss der Kanalform und Benetzbarkeit auf den zu erwartenden Druckverlust bestimmt.
Die Abbildung zeigt zwei Zeitpunkte aus solchen Simulationen. Das Wasser gelangt als Tropfen aus der Gasdiffusionslage (GDL) in den Kanal (links oben), vereinigt sich zu größeren, sich schnell bewegenden Ansammlungen, die zu einem kurzfristig erhöhten Druckverlust führen und letztlich einen Film bilden.
