Modellierung von PEM-Brennstoffzellen

Wir modellieren PEM-Brennstoffzellen auf allen Skalen von der Elektrodenstruktur bis zum Brennstoffzellensystem. Unsere verschiedenen Modellierungsmethoden geben Aufschluss über die Leistung und Degradation in der Elektrode, über die Gasströmung im Flowfield und über die Optimierung des Systemverhaltens. Besonderen Wert legen wir auf die experimentelle Validierung unserer Modelle, die Ihnen detaillierte Einblicke in die physikalischen Effekte während des Betriebs der Brennstoffzelle hinsichtlich Zellleistung und Alterungsverhalten geben.

 

Unsere Leistungen umfassen:

  • Modellierung der Katalysatorschicht, z. B. um die lokale Leistung und Alterung in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, Potenzial- oder Lastzyklen sowie der eingesetzten Materialien zu untersuchen
  • Strömungssimulation und elektrochemische Modellierung (3D-CFD) zur Auslegung von Flowfields, Einzelzellen und Stacks
  • Systemmodellierung zur Optimierung des Systemwirkungsgrads. Dabei können wir die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebsstrategien untersuchen.
  • Einsatz von Machine-Learning-Algorithmen zur Vorhersage der Zell-Leistung in Abhängigkeit verschiedener Prozsessparameter bei der CCM-Produktion

 

Ihr Nutzen:

  • Unsere experimentell validierten Modelle ermöglichen Ihnen detaillierte Einblicke in die physikalischen Effekte während des Brennstoffzellen-Betriebs hinsichtlich Leistungs- und Alterungsverhalten.
  • Unsere Modellierungen helfen Ihnen bei der Ermittlung und Auswahl optimaler Brennstoffzellenmaterialien, Geometrien und Betriebsbedingungen.
  • Wir können die Auswirkungen von Veränderungen hinsichtlich Materialien, Betriebsführung und Design vor dem Hintergrund unserer langjährigen Erfahrung für Sie beurteilen.

 

Sauerstoffkonzentration Brennstoffzelle
© Fraunhofer ISE
Sauerstoffkonzentration in through-plane-Richtung der kathodenseitigen Katalysatorschicht (CCL) bei verschiedenen Zellspannungen. Der Sauerstoff wird von der Gasdiffusionsschicht (bei CCL-Position 0 µm) kommend in die CCL geleitet und diffundiert in Richtung der Membran (bei CCL-Position 12 µm). Bei Betriebspunkten mit geringer Zellspannung und dementsprechend hoher Zellstromdichte tritt Sauerstoffmangel in der CCL bei einer Eindringtiefe von etwa 10 µm auf.
Alterungssimulationen für drei verschiedene Brennstoffzellen
© Fraunhofer ISE
Alterungssimulationen für drei verschiedene Brennstoffzellen mit unterschiedlichem Verhältnis von Platin zu Kohlenstoff. Die Zellen werden einem beschleunigten Alterungstest mit 30 000 Potentialzyklen zwischen 0.6 und 0.95 V unterzogen (DoE Katalysatoralterung). Jede Farbe entspricht einer Zelle. Durchgezogene Linien und Balken entsprechen dem ungealterten Zustand, gestrichelte Linien und Balken dem gealterten Zustand.
Neuronales Netzwerk, das trainiert wurde, um die Leistung von Brennstoffzellen  vorherzusagen
© Fraunhofer ISE
Ein neuronales Netzwerk, das trainiert wurde, um die Leistung von Brennstoffzellen in Abhängigkeit von der Degradation, den Eigenschaften der Tinte und der MEA-Produktion sowie früheren Charakterisierungen vorherzusagen.

Forschungsprojekte zum Thema Modellierung von PEM-Brennstoffzellen

 

FC-CAT

Brennstoffzellen CFD und Through-Plane Modellierung

 

FC-RAT

Realistische Alterungstrendmodellierung von Brennstoffzellen

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

FuE-Infrastruktur

Brennstoffzellenlabor

Geschäftsfeldthema

Brennstoffzelle