Modellierung und Untersuchung von Flutungsphänomenen in Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen

Brennstoffzellen gelten als eine mögliche Option für zukünftige emissionsfreie Fahrzeugantriebe. In dieser Arbeit werden der Wärme- und Stofftransport innerhalb von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen untersucht. Dabei liegt der Fokus auf der Problematik der Flutung der porösen Schichten durch Flüssigwasser, welche bei diesem Brennstoffzellentyp auftreten kann. Mit Hilfe von Simulationen wird untersucht, wie Materialeigenschaften, Betriebsbedingungen und Kanalgeometrie die elektrische Leistung und den inneren Zustand der Brennstoffzelle beeinflussen. Dazu wird ein ortsaufgelöstes Modell zur Simulation von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen entwickelt, welches wesentliche Transportphänomene wie die Flutung der porösen Schichten, elektrische und thermische Kontaktwiderstände, Anisotropie der Gasdiffusionsschicht, den Effekt einer mikroporösen Schicht sowie Stofftransportwiderstände innerhalb der Mikrostruktur der Katalysatorschicht berücksichtigt. Die thermischen Widerstände innerhalb der Brennstoffzelle werden mit Hilfe eines stationären Heatfluxmeters ermittelt und in das Modell integriert. Die damit erhaltenen Simulationsergebnisse werden experimentell validiert und kritisch diskutiert. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Vorgänge innerhalb von Brennstoffzellen bei und können zur technischen Auslegung von Brennstoffzellen verwendet werden.