Die Integration einer von uns entwickelten Brennstoffzellenroutine in bestehende Simulationen von Wasserstofferzeugungsprozessen ermöglicht die Berechnung der elektrischen Leistung von PEM-Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit der Betriebsparameter (z.B. Temperatur, Anoden- und Kathodendruck, Membranfläche, Anzahl der Zellen, Formelumsatz). Die Hinterlegung einer Strom-Spannungskurve in der Subroutine erlaubt die Berücksichtigung des charakteristischen Betriebsverhaltens eines PEM-Brennstoffzellenstacks.

Die Prozesssimulationen umfassen die Optimierung und die Analyse von Wasserstofferzeugungsprozessen, wie sie vor allem in Brennstoffzellengesamtsystemen zur Anwendung kommen. Die Arbeiten auf diesem Gebiet umfassen die Wirkungsgradverbesserung durch Integration der Prozesswärmen, die Auslegung der Prozessführung zur Steigerung der Produktgasqualitäten und die Untersuchung der Potentiale von chemischen Gasfeinreinigungen (selektive Oxidierung, selektive Methanisierung und partielle Oxidation). Die Verwendung einer von uns entwickelten Routine ermöglicht die Berechnung der Trennleistungen von Membranmodulen und Membranreaktoren (Dampfreformierung und Wasser-Gas-Shiftreaktion).

Unsere aktuellen Arbeiten in der numerischen Strömungsanalyse befassen sich mit der Simulation von PEM-Brennstoffzellen und chemischen Reaktoren der Gasprozesstechnik. Für die Entwicklung leistungsfähiger und langlebiger Polymermembranbrennstoffzellen ist ein genaues Verständnis des Wasserhaushaltes zwingend erforderlich. Zwei gegenläufige Effekte müssen während des Betriebes kontrolliert werden: Eine unzureichend befeuchtete Elektrolytmembranen führt nach relativ kurzer Zeit zur Zerstörung der Zelle. Eine zu hohe Wasserkonzentration kondensiert bei den relativ geringen Temperaturen in einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle aus und bildet Wassertropfen, die die aktiven Flächen verringern und den Stofftransport in den Strömungsquerschnitten behindern. Der Fachbereich Energietechnik entwickelt und validiert zurzeit ein Modell, das den Wasserhaushalt und den Wärmehaushalt unter besonderer Berücksichtigung der Transportvorgänge in der Membrane abbilden kann. Ein weiteres Einsatzgebiet der numerischen Strömungsanalyse ist die Auslegung und Optimierung der Strömungskanäle von Bipolarplatten. Auf diesem Weg werden Druckverluste abgeschätzt und Zellkühlungen dimensioniert.

Die Kenntnis über Temperatur-, Druck- und Konzentrationsverteilungen in chemischen Reaktoren sind von entscheidender Bedeutung bei der Auslegung von verfahrenstechnischen Prozessen. Der Einsatz von CFD-Codes ermöglicht in frühen Entwicklungsphasen die Optimierung von Reaktoren, ohne auf aufwändige Versuche zurückgreifen zu müssen. Wir verbessern in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik das Design von Reaktorstufen oder Bauteilen von Wasserstofferzeugungsprozessen. Im Mittelpunkt der Optimierungsrechnungen stehen dabei:

• • Temperaturverteilung in Reaktorbehältern in Abhängigkeit entscheidender Prozessparameter und unterschiedlicher Betriebszustände
• • Gemischbildung in Brennereinheiten mit Anoden-Offgas-Rückführung
• • Druckverlust in Rohrleitungen und Katalysatorschüttungen von Reaktorbehältern