Vier Beispiele für die Modellierung von Brennstoffzellen in COMSOL Multiphysics®

Brennstoffzellen sind eine der meistdiskutierten neuen Technologien im Bereich der sauberen Energie. Brennstoffzellen erzeugen Strom durch elektrochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die Summenreaktion zu einer Wasserstoffoxidation und einer Sauerstoffreduktion führt. Einfach ausgedrückt: Wenn eine Brennstoffzelle ständig mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, erzeugt sie Strom. Darüber hinaus ist das bei diesem Prozess entstehende Nebenprodukt Wasser, wodurch es sich um einen „sauberen Brennstoff“ handelt, der weder Kohlendioxid noch giftige Nebenprodukte erzeugt.

Verschiedene Brennstoffzellendesigns

Für die optimale Funktion einer Brennstoffzelle muss ein Gleichgewicht zwischen der Stromdichteverteilung in der Zelle, der Zufuhr der Reaktanten und dem Temperaturprofil aufrechterhalten werden. Diese Aspekte werden in der Regel mithilfe von Modellierung und Simulation untersucht. Ein multiphysikalisches Modell könnte auch mögliche strukturelle Verformungen aufgrund von Wärmeausdehnung berücksichtigen. Mit dem Fuel Cell & Electrolyzer Module, einem Add-On zur COMSOL^® Software, können Sie verschiedene Brennstoffzellen entwerfen und modellieren und all diese Aspekte in einem einzigen Modell berücksichtigen. Die Software bietet verschiedene Multiphysik-Kopplungen, wie z. B. reaktive Strömung, nichtisotherme Strömung usw., die Sie implementieren können, um ein klares Bild davon zu erhalten, wie die Zelle in realen Anwendungen funktionieren wird. Sie können diese Studien auch auf ganze Brennstoffzellenstacks erweitern.

Sehen wir uns vier Beispiele an, wie COMSOL Multiphysics zur Bewertung verschiedener Aspekte von Brennstoffzellendesigns eingesetzt werden kann.

1. Festoxid-Brennstoffzelle

Der Elektrolyt und die Elektroden einer Festoxid-Brennstoffzelle bestehen aus Metalloxiden (harten Keramikmaterialien). Die Elektroden in dieser Zelle sind poröse Gasdiffusionselektroden (GDE), zwischen denen sich der Festelektrolyt befindet, sodass eine Sandwichstruktur entsteht. In diesem Abschnitt untersuchen wir die Funktionsweise einer Festoxid-Brennstoffzelle anhand einer Simulation mit dem Tutorial-Modell Stromdichteverteilung in einer Festoxid-Brennstoffzelle.

Dieses Tutorial kann verwendet werden, um die Stromdichteverteilung in einer Einheitszelle einer Parallelkanal-Festoxid-Brennstoffzelle mit Gegenstrom zu modellieren. Der Brennstoff in dieser Zelle ist befeuchtetes Wasserstoffgas (Wasserstoff und Wasserdampf), das auf der Anodenseite eintritt. Befeuchtete Luft (Wasserdampf, Sauerstoff und Stickstoff) wird auf der Kathodenseite zugeführt.

Abbildung 1. Die Geometrie einer Festoxid-Brennstoffzelle in einem Stack, einschließlich der Bipolarplatten (links). Die Modellgeometrie besteht aus einer Einheitszelle mit einem Luft- und einem Wasserstoffkanal (rechts). Es wird davon ausgegangen, dass die Bipolarplatte ein konstantes elektrisches Potential aufweist. Die Bipolarplatte wird nicht im Modell berücksichtigt. Stattdessen wird das elektrische Potential als Randbedingung an den Kontaktflächen zwischen den GDE und den Bipolarplatten festgelegt.

Dieses Modell umfasst eine vollständige Kopplung zwischen:

• den Stoffbilanzen an der Anode und der Kathode,
• der Strömung in den Gaskanälen,
• der Gasströmung in der porösen Elektrode,
• der Bilanz des von dem Oxidion getragenen Ionenstroms,
• der Strombilanz und
• den Ladungstransferreaktionen (elektrochemischen Reaktionen) an der Anode und Kathode.

Dieses Modell ist ein echtes multiphysikalisches Problem und umfasst mehrere Physik-Interfaces, die die in der Zelle ablaufenden Prozesse und Phänomene beschreiben. Die Diffusions- und Konvektionsgleichungen von Maxwell-Stefan beschreiben den Stofftransport in der Gasphase, der mit dem Interface Hydrogen Fuel Cell gelöst wird. Die Strömung durch die offenen Kanäle wird durch die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen definiert, während die Brinkman-Gleichungen die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der porösen Elektroden beschreiben. Der Stromausgleich im Elektrolyten, im Porenelektrolyten und in den Elektroden wird unter Verwendung der Theorie poröser Elektroden definiert, wobei die lokale Konzentration in den GDE mit der Nernst-Gleichung für die Thermodynamik und den Butler-Volmer-Ausdrücken für die Ladungstransferreaktionskinetik (Elektrodenkinetik) gekoppelt wird.

Die relevanten Parameter, die in diesem Modell untersucht werden, sind die Beziehungen zwischen:

• der Breite der Kanäle,
• der Elektrodendicke,
• der Leitfähigkeit des Elektrolyten (einschließlich des Porenelektrolyten),
• der Leitfähigkeit der Elektroden,
• der Länge der Zelle sowie
• der Zusammensetzung und der Einströmrate des Gases.

Diese Design- und Betriebsparameter bestimmen die Leistung der Zelle bei unterschiedlichen Lasten. Das Modell ist vollständig parametrisiert, was bedeutet, dass Sie die Simulationen für verschiedene Werte der oben genannten Parameter durchführen können, um das Verhalten der Zelle zu verstehen und zu untersuchen. Eine Vorschau der Ergebnisse dieses Modells finden Sie im folgenden Abschnitt. Eine detaillierte Beschreibung der Erstellung des Modells erhalten Sie in der zugehörigen MPH-Datei und den PDF-Anweisungen in der Application Gallery.

Simulationsergebnisse

Von links nach rechts zeigen die Plots in Abbildung 2 den Wasserstoff-Stoffmengenanteil in der Anode, den Sauerstoff-Stoffmengenanteil in der Kathode und die Stromdichte über dem Elektrolyten. Das Modell verdeutlicht, dass die Luftzufuhr die Leistung der Zelle begrenzt, was zu einer hohen Stromdichte am Lufteinlass und einer niedrigen Stromdichte am Luftauslass führt. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Stromdichte in der Mitte der Kanäle etwas höher ist als an den Rändern, wo die Kontaktflächen des Stromkollektors und des Zuführers den Gastransport behindern.

Abbildung 2. Plots, die den Wasserstoff-Stoffmengenanteil an der Anode (links) und den Sauerstoff-Stoffmengenanteil an der Kathode (Mitte) bei einer Zellspannung von 0,6 V zeigen, mit der Zusammensetzung in den Gaskanälen und den Gasdiffusionselektroden. Die Stromdichteverteilung im Elektrolyten (rechts) zeigt, dass die Luftzufuhr die Leistung der Zelle begrenzt, was zu einer hohen Stromdichte an der Position des Lufteinlasses führt.

Abbildung 3 zeigt, dass die maximale Leistung unter den Betriebsbedingungen in Abbildung 2 bei einer Stromdichte von knapp unter 1800 A/m² liegt (linkes Diagramm unten), was zu einer maximalen Leistung von knapp unter 1150 W/m² führt. Bei einer Erhöhung der Luftströmungsrate steigt die maximale Leistungsdichte auf 1300 W/m² (rechte Grafik unten). Würden wir die Stromdichteverteilung im Elektrolyten grafisch darstellen, würden wir feststellen, dass sie wesentlich gleichmäßiger ist. Diese Leistungssteigerung muss jedoch gegen den Energiebedarf der Luftpumpe abgewogen werden, die einen um 50 Prozent höheren Druck liefern muss.

Abbildung 3. Polarisations- und Leistungsdichtekurven bei einem Lufteinlassdruck von 6 bar (links), die eine maximale Leistung von knapp unter 1150 W/m² bei etwa 1800 A/m² zeigen. Durch Erhöhung der Luftströmungsrate durch Erhöhung des Einlassdrucks auf 9 bar (rechts) verschiebt sich das Maximum in Richtung einer höheren Stromdichte (2200 A/m² ) und auch einer höheren Leistungsdichte (1300 W/m²).

2. Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) verfügen über eine Polymermembran als Elektrolyt; im Allgemeinen handelt es sich dabei um eine Protonenaustauschmembran mit einem relativ hohen Wassergehalt während des Betriebs. Im Tutorial-Modell Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle mit serpentinenförmigem Strömungsfeld ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) – bestehend aus der Membran und den Gasdiffusionselektroden (GDE) – zwischen Bipolarplatten angeordnet, die serpentinenförmige Gaskanäle enthalten. In der unten dargestellten Geometrie befinden sich die Luftkanäle mit ihren Einlässen oberhalb der MEA, während die Wasserstoffkanäle mit ihren Einlässen unterhalb der MEA angeordnet sind.

Abbildung 4. Die Geometrie für das PEM-Brennstoffzellenmodell.

Die PEM-Brennstoffzelle erzeugt Wasser an der Kathode aufgrund der Wasserstoffoxidationsreaktion an der Anode (negative Elektrode) und der Sauerstoffreduktionsreaktion an der Kathode (positive Elektrode). Das erzeugte Wasser kann durch die Membran zur Anodenseite dringen. Angenommen, das Wasser wird nicht effizient aus dem Kathoden-GDE entfernt, wo es entsteht. In diesem Fall kommt es zu einer Überflutung der Elektrodenporen, wodurch die Sauerstoffzufuhr blockiert wird, was zu einem dramatischen Leistungsverlust führt. Wenn hingegen die Membran und der Porenelektrolyt zu trocken werden, führt dies zu einer geringen ohmschen Leitfähigkeit im Elektrolyten. Daher ist das Wassermanagement ein entscheidender Faktor für den Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle.

Das Modell löst:

• die Ladungsbilanzen und Stofftransportgleichungen in den Gasdiffusionselektroden und dem Membranelektrolyten,
• die Strömungsgleichungen in der Gasphase auf jeder Seite der Membran,
• die Gleichungen für den Transport von Wasser in der Membran durch Diffusion (Permeation) und Migration (elektroosmotischer Widerstand) und
• die Ladungstransferreaktionsgleichungen (elektrochemische Reaktionen) an den Elektroden.

Interessante Aspekte, die mit diesem Modell untersucht werden können, sind:

• der Einfluss des Serpentinenmusters,
• die Dimensionen des Kanalquerschnitts,
• die Breite der Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und den Elektroden,
• die Dimensionen der MEA,
• die Materialeigenschaften aller Komponenten der Zelle.

All diese Aspekte können unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Gasdurchsatz und Last) untersucht werden. Das Modell kann auch zur Optimierung des Zelldesigns für einen bestimmten Gasdurchsatz und eine bestimmte Last verwendet werden. Eine Übersicht über die Modellierungsergebnisse für dieses Modell finden Sie im folgenden Abschnitt. Wenn Sie direkt mit der Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Aufbau dieses Modells beginnen möchten, können Sie diese hier herunterladen.

Simulationsergebnisse

Dieses Modell berechnet die Zusammensetzung der Gase in den jeweiligen GDE und Gaskanälen, wie in den Plots in Abbildung 5 dargestellt. Diese Plots zeigen eine wesentlich stärkere Verarmung an Sauerstoff als an Wasserstoff. Diese Verarmung tritt entlang der Dicke der GDE auf, hauptsächlich aufgrund der geringeren Diffusionsfähigkeit von Sauerstoff. Da die Strömung in den Luft- und Wasserstoffkanälen gegenläufig ist, werden die beiden reagierenden Gase an den gegenüberliegenden Enden der Bipolarplatten verarmt.

Abbildung 5. Plots des Sauerstoff-Stoffmengenanteils (links) und des Wasserstoff-Stoffmengenanteils (rechts).

Betrachtet man die Wasseraktivität im Wasserstoffkanal und in der Membran, so lässt sich feststellen, dass diese Aktivität in der Nähe des Lufteinlasses größer ist. An dieser Stelle ist der Sauerstoffgehalt in der Gasphase hoch, was zu einer höheren lokalen Stromdichte führt, da der Sauerstofftransport die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzt. Wir können auch erkennen, dass die Membranleitfähigkeit an der Stelle mit hoher Wasseraktivität größer ist, was sich auf die Stromdichteverteilung in der Zelle auswirkt. Der Sauerstoff- und Wassergehalt erhöht die Stromdichte, bis der Flüssigwassergehalt in der Kathoden-GDE den Gastransport behindert.

Abbildung 6. Plots der relativen Feuchtigkeit in den Kanälen (links) und Wasseraktivität in der Membran (rechts).

3. Nichtisotherme PEM-Brennstoffzelle

Mit dem Tutorial-Modell Nichtisotherme PEM-Brennstoffzelle können wir die miteinander gekoppelten elektrochemischen Reaktionen, die Strömung, den Wärmetransport sowie den Ladungs- und Stofftransport in einer PEM-Brennstoffzelle modellieren. Die Zelle in diesem Tutorial umfasst eine Membran-Elektrolyt-Baugruppe, die zwischen Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layers, GDL) eingebettet ist, die als Elektroden dienen. Die aktiven Schichten der Elektroden werden als Oberflächen modelliert, d. h. ihre geometrische Dicke wird vernachlässigt. (Die Dicke der aktiven Schicht ist ein Parameter, wird jedoch nicht als Dicke in der Geometrie des Modells berücksichtigt, was bedeutet, dass die Gaszusammensetzung und das elektrische Potential entlang der Dicke der aktiven Schichten konstant sind.) Die Wasserstoffkanäle werden durch eine gewellte Platte gebildet, die auch als Stromzuführung in Kontakt mit der Anode dient. Kühlkanäle, die mit flüssigem Wasser gefüllt sind, verlaufen auf der anderen Seite der Wasserstoffkanäle. Der Luftraum wird durch einen Stromkollektor aus Streckmetall gebildet, der die Kathode von einer flachen Metallplatte trennt. Die Metallplatte, die auf dem Streckmetall positioniert ist, dient als Bipolarplatte. Sie trennt auch das Kathodenfach von den Kühlkanälen der nächsten Zelle, die sich in einem Stack über der aktuellen Zelle wiederholen würden.

Abbildung 7 ist zwei Einheiten breit und enthält zwei Wasserstoffkanäle. Aufgrund der Symmetrie entlang der Breite müssten wir nur 1/4 dieser Geometrie modellieren. Da solche Ergebnisse jedoch schwer zu interpretieren sind und die Modellgleichungen in wenigen Minuten gelöst werden können, können wir ein Modell mit einer größeren Geometrie als erforderlich verwenden.

Abbildung 7. Die Geometrie für das Tutorial-Modell Nichtisotherme PEM-Brennstoffzelle.

Die Einlässe für die befeuchtete Luft und die Wasserstoffgasströme sowie die Kühlflüssigkeit sind auf der rechten Seite der Abbildung zu sehen.

Das Kühlwasser wird mithilfe der Navier-Stokes-Gleichungen für laminare Strömung unter Verwendung des Interface Single Phase Flow beschrieben, während die Zelltemperatur mithilfe des Interface Heat Transfer definiert und berechnet wird. Um die gesamte Funktionsweise der Zelle zu verstehen – einschließlich Strömung, Transport chemischer Spezies, elektrochemischer Reaktionen und Wärmetransport durch die Zelle – müssen verschiedene multiphysikalische Phänomene berücksichtigt werden, die mithilfe der folgenden Multiphysik-Knoten im Modell definiert werden: Reacting Flow, Electrochemical Heating und Nonisothermal Flow.

Die Auswirkungen der expandierten Gitterstruktur, die im Luftkanal verwendet wird, sind hier interessant zu untersuchen. Der Zweck dieser Struktur besteht darin, eine Strömungskomponente senkrecht zur MEA zu erzeugen. Dies ermöglicht die Sauerstoffzufuhr und die Wasserentfernung. Die Leistung der Brennstoffzelle kann je nach den Parametern variieren, die die Geometrie des expandierten Gitters bestimmen. Solche Parameter können die Beziehung zwischen dem Kontakt des Stromkollektors mit der Elektrode und der für den Stofftransport verfügbaren Fläche, einschließlich der Wasserentfernung, beeinflussen. Das Modell ermöglicht die Optimierung der Struktur für die gegebenen Betriebsbedingungen und die Last. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die Ergebnisse dieses Modells. Anschließend können Sie lernen, es selbst zu erstellen, indem Sie die PDF-Dokumentation und die MPH-Datei aus der Application Gallery herunterladen.

Simulationsergebnisse

Links zeigt die folgende Grafik die Elektrolytstromdichte der Membran, wobei die Stromdichte zur Auslassseite hin zunimmt. Dies ist auf die Leitfähigkeit der Membran zurückzuführen, die aufgrund der Wasserbildung mit ihrem Wassergehalt zunimmt. Betrachtet man den Wassergehalt in der Membran, so lässt sich feststellen, dass sich Wasser unterhalb der Kontaktbereiche zwischen dem Stromkollektor und der Kathode ansammelt, wo auch die Stromdichte groß ist. Dies könnte letztendlich zu einem Problem werden, wenn Wasser die Kathode überflutet und den Transport von Sauerstoff behindert. Angenommen, wir verlängern die Zelle, indem wir die Wasserstoffkanäle doppelt so lang machen und dabei die Betriebsbedingungen konstant halten. In diesem Fall würden wir letztendlich einen dramatischen Rückgang der Stromdichte entlang der Länge der Kanäle beobachten, da die Sauerstoffreduktionsreaktion aufgrund von Stofftransportbeschränkungen verlangsamt wird.

Abbildung 8. Die Elektrolytstromdichte durch die Ebene der Membran (links) und die relative Feuchtigkeit der Membran (rechts) bei einer Zellspannung von 0,5 V.

Mit diesem Modell können wir auch den Sauerstoff-Stoffmengenanteil und den Wasserstoff-Stoffmengenanteil in einem Kathodengasgemisch beobachten. Der Sauerstoffgehalt nimmt zum Auslass hin ab, während der Wassergehalt zunimmt.

Abbildung 9. Plots des Sauerstoff-Stoffmengenanteils (links) und des Wasserstoff-Stoffmengenanteils (rechts).

Darüber hinaus kann das Temperaturprofil der gesamten Zelle und des Kühlkanals betrachtet werden. Die höchsten Temperaturen werden im MEA beobachtet, was Sinn ergibt, da sich dort die Wärmequellen durch Joule’sche Erwärmung und Aktivierungsverluste befinden.

Abbildung 10. Temperaturverteilung in der Zelle.

Die Verlustleistung in der Zelle ist in Abbildung 11 dargestellt. Diese Grafik zeigt die Verteilung der Wärmeentwicklung in der Zelle. Es ist ersichtlich, dass die bedeutendste Wärmequelle in der Membran liegt, was auf die schlechte Leitfähigkeit der Membran zurückzuführen ist. Darüber hinaus ist eine erhebliche Wärmeentwicklung an der Stelle zu beobachten, an der das expandierte Gitter mit der Kathode in Kontakt kommt. Hier ist die Leitfähigkeit der Elektrode (im Vergleich zu den Stromkollektoren) relativ schlecht, während die Stromdichte hoch ist.

Abbildung 11. Logarithmische Plot der Wärmequellen in der MEA, der Stromzuführung und dem Stromkollektor.

Schließlich können wir eine Polarisationskurve für die Zelle erstellen, die die Zellspannung als Funktion der durchschnittlichen Stromdichte (Strom pro Membranflächeneinheit) darstellt. Der signifikante Abfall der Zellspannung bei niedriger Stromdichte ist auf eine Aktivierungsüberspannung zurückzuführen, die hauptsächlich an der Kathode auftritt. Gleichzeitig folgt bei etwas höheren Stromdichten ein linearer Bereich, der von ohmschen Verlusten dominiert wird. Bei hohen Stromdichten ist ein leichter Anstieg der Verluste zu beobachten, wo die Kurve aufgrund des Stofftransportwiderstands leicht nach unten abfällt.

Abbildung 12. Polarisationskurve, die die Zellspannung als Funktion der durchschnittlichen Stromdichte darstellt.

4. Kühlung eines Brennstoffzellenstacks

Das Tutorial-Modell Kühlung eines Brennstoffzellenstacks, das in COMSOL Multiphysics Version 6.1 eingeführt wurde, kann zur Bewertung des Wärmemanagements eines PEM-Brennstoffzellenstacks verwendet werden, der aus fünf Zellen, fünf MEAs und zwei Endplatten besteht. Diese Art der Analyse ist wichtig, da eine ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Zellen eines Brennstoffzellenstacks zu einer ungleichmäßigen Wasserdampfkondensation und zu unerwünschten Leistungsschwankungen zwischen den einzelnen Zellen führen kann.

In diesem Beispiel ist der Stack mit Bipolarplatten durchsetzt, die eine Kühlflüssigkeit transportieren. Das Bild links zeigt die sich wiederholende Einheitszelle, die zur Bildung der Modellgeometrie verwendet wird. Im Gegensatz dazu zeigen die Bilder in der Mitte und rechts die endgültige Modellgeometrie, die durch das Einfügen von fünf gestapelten Einheitszellen zwischen zwei Metallblöcken konstruiert wird.

Abbildung 13. Hier sehen wir die sich wiederholende Einheitszelle (links) sowie eine Ansicht des Stacks mit fünf Einheitszellen, die das Sauerstoffkanalmuster (Mitte) und das Wasserstoffkanalmuster (rechts) zeigen. Die Metallplatten mit den Luft- und Wasserstoffkanälen, die in der Abbildung links in Rosa und Blau dargestellt sind, sind im Stack verschweißt. Aufgrund des Musters der Kanäle bleibt zwischen den Schweißnähten Platz für die Strömungskanäle für das Kühlwasser. Die Endplatten halten die Struktur zusammen und üben Druck aus, um einen optimalen Kontakt zwischen den Bipolarplatten und der MEA aufrechtzuerhalten.

Das Modell definiert die Gleichungen für:

• die Temperatur,
• die Elektroden- und Elektrolytphasenpotenziale,
• den Stofftransport der reagierenden Spezies in jedem einzelnen Gasraum,
• die Fluiddrücke und Strömungsfelder in den Gas- und Flüssigkeitsströmungskammern,
• die Elektrodenkinetik in den aktiven Schichten der MEA.

Die interessanten Aspekte, die in diesem Modell untersucht werden, sind die Schwankungen in der Zusammensetzung, Temperatur und Stromdichteverteilung, die im Stack auftreten können. Diese Aspekte hängen von der Geometrie der Bipolarplatten und der MEAs ab. Sie können auch von der Anzahl der Zellen abhängen, die im Stack enthalten sind. Das Modell ermöglicht es uns, die Geometrie der Gaskanäle mit einem porösen Medienansatz mit anisotropen Eigenschaften zu behandeln, die die Struktur der Gaskanäle widerspiegeln. Durch den Vergleich eines solchen Ansatzes mit der vollständigen Beschreibung der Gaskanäle können wir seine Genauigkeit überprüfen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er eine gute Genauigkeit (je nach Zweck) bietet und gleichzeitig den Rechenaufwand (CPU-Zeit und Speicherbedarf) erheblich reduziert.

Sehen Sie sich unten einige Ergebnisse dieses Modells an und probieren Sie es aus, indem Sie die PDF-Anleitung und die MPH-Datei in der Application Gallery herunterladen.

Simulationsergebnisse

Abbildung 14 zeigt die Stromdichteverteilung in der Membran zwischen den Elektroden. Die Luftzufuhr bestimmt die Ladungsübertragungsrate, was zu einer höheren Stromdichte am Lufteinlass und einer geringeren Stromdichte am Luftauslass führt. Darüber hinaus ist die Stromdichteverteilung am oberen, mittleren und unteren Ende des Stacks nahezu identisch.

Abbildung 14. Stromdichte zwischen den Elektroden in der Membran der obersten Zelle (links), der mittleren Zelle (Mitte) und der untersten Zelle (rechts).

Abbildung 15 zeigt die Wasserstoff- und Sauerstoff-Stoffmengenanteile in der oberen Zelle in den Gaskanälen und den porösen Elektroden. Wie erwartet spiegelt die obige Stromdichteverteilung das Profil des Sauerstoff-Stoffmengenanteils wider. Es ist zu beachten, dass Sauerstoff in viel größerem Umfang verbraucht wird als Wasserstoff. Darüber hinaus wird Sauerstoff entlang der Dicke der Kathode verbraucht, während der Wasserstoff-Stoffmengenanteil entlang der Dicke der Anode nahezu konstant bleibt.

Abbildung 15: Wasserstoff-Stoffmengenanteil (links) und Sauerstoff-Stoffmengenanteil (rechts) in der obersten Zelle des Stacks.

Abbildung 16 zeigt die Temperatur in der obersten Zelle des Stacks in den Kathodengaskanälen und der Elektrode sowie in den Membran- und Anodenkanälen und der Elektrode, dargestellt von rechts nach links in den Farblegenden. Die Temperatur ist in der Membran höher, was zu erwarten ist, da die Membran eine geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Temperatur steigt in Richtung des Kühlwassers an, was ebenfalls zu erwarten ist.

Abbildung 16. Die Temperatur in der obersten Zelle des Stacks.

Abbildung 17 zeigt die Temperatur im Stack. Die höchste Temperatur wird in der Membran der mittleren Zelle gemessen. Dieser Ort ist am weitesten von den Endplatten entfernt, die für Kühlung sorgen. Die Kühlkanäle in den Bipolarplatten tragen ebenfalls zur Kühlung bei. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Temperaturverteilung in den beiden Endplatten identisch ist.

Abbildung 17. Temperatur im Stack. Die rechte und mittlere Farblegende entsprechen den Endplatten, während die linke Farblegende den Zellen entspricht.

Das Modell zeigt eine leichte Abweichung entlang der Höhe des Stacks. Dies würde sich ändern, wenn wir mehr Zellen stapeln würden, was zu einem Sauerstoff- oder Wasserstoffmangel entlang der Höhe der Zellen führen würde, mit Abweichungen auch in den Gaskanälen im Verteiler.

Nächste Schritte

Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie Modellierung und Simulation für die Entwicklung von Brennstoffzellen genutzt werden können, aber es gibt noch viele weitere. Durch den Einsatz von Simulationen für ein tieferes Verständnis von Brennstoffzellen können Ingenieure die Gesamteffizienz, Leistung und Zuverlässigkeit dieser Zellen weiter verbessern.

Bitte beachten Sie, dass alle hier gezeigten Beispiele mit dem Fuel Cell & Electrolyzer Module erstellt wurden. Wenn Sie mehr über dieses Modul erfahren möchten, das für die Modellierung von Wasserstoff-Brennstoffzellen, industriellen Elektrolyseuren und vielem mehr verwendet werden kann, klicken Sie auf die Schaltfläche unten.

Die Tutorial-Modelle

Probieren Sie die hier vorgestellten Modelle selbst aus. Klicken Sie auf die unten stehenden Links, um zu den entsprechenden Einträgen in der Application Gallery zu gelangen, wo Sie die dazugehörigen MPH-Dateien herunterladen können.

1. Stromdichteverteilung in einer Festoxid-Brennstoffzelle
2. Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle mit serpentinenförmigem Strömungsfeld
3. Nichtisotherme PEM-Brennstoffzelle
4. Kühlung eines Brennstoffzellenstacks