Skala 1: Das Fahrzeug

Erklärvideo: Bosch Brennstoffzelle 1

Systemübersicht

Simulationen von Vorgängen in der Brennstoffzelle

Simulationen spielen im Bereich der Brennstoffzelle eine wichtige Rolle, denn sie helfen dabei, die Vorgänge in Brennstoffzellen sichtbar zu machen. Sie helfen Forscher*innen zu verstehen, wie die porösen Schichten funktionieren, wie der Transport von Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser stattfindet und ob die Schichten eventuell optimiert werden müssen. Zum Beispiel, ob ein anderes Material oder eine andere Struktur verwendet werden muss. Die Erkenntnisse aus den Simulationen führen dazu, dass in der Produktion der Fahrzeuge Kosten eingespart werden können.

Dieses Beispiel zeigt ein Modell der GDL-Schicht einer Brennstoffzelle. Mit diesem Modell wird der Wasseranteil in den Poren simuliert. Das Wasser wird dabei mit Druck durch die poröse Schicht gedrückt und tritt an den markierten Stellen aus.

Zum Vertiefungstext

Im Rahmen des Mobilitätswandels gewinnt die Brennstoffzelle als Antriebsform in der Automobilwelt durch ihre lokale Emissionsfreiheit zunehmend an Bedeutung. Besonders für schwere Fahrzeuge stellt sie eine attraktive Alternative zum rein batteriebetriebenen Fahrzeug dar.

Die PEM (Polymer Elektrolyt Membran) Brennstoffzelle besteht aus mehreren porösen Schichten mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Um im Wettbewerb bestehen zu können, muss eine hohe Effizienz und Langlebigkeit bei geringen Kosten erreicht werden. Simulationen können hier einen großen Mehrwert bieten.

Zur Beschreibung und Modellierung der porösen Materialien, dem Transport und den Interaktionen der porösen Schichten müssen effiziente Methoden entwickelt werden. Ein Brennstoffzellenstack, wie er beispielsweise in einem Fahrzeug verbaut wird, lässt sich in verschiedene Ebenen unterteilen (Stackebene, Vollzellebene, repräsentatives Volumen innerhalb der Zelle, Porenskala). Die Transportprozesse in der Brennstoffzelle spielen sich auf verschiedenen Skalen ab. Für die Simulation kompletter Zellen oder gar ganzer Brennstoffzellenstacks ist diese Methode jedoch aufgrund des Rechenaufwandes nicht geeignet. Für eine akkurate Repräsentation, müssen jedoch die relevanten Effekte der kleinskaligen Phänomene auch auf der gröberen Skala berücksichtigt werden, wofür intelligente Methoden gefunden werden müssen. Dafür müssen jedoch die relevanten Effekte zunächst identifiziert werden. Um die Interaktion des zweiphasigen Wasser-Luft-Transports am Interface zwischen GDL (Gas-Diffusionsschicht) und Gasverteiler zu beschreiben wird in diesem Projekt ein Porennetzwerk Modell verwendet. Hierbei werden die Transportprozesse auf der Porenskala beschrieben. Eine große Herausforderung ist hierbei der Wechsel der Benetzbarkeit von der hydrophoben GDL in den hydrophilen Gasverteiler und die dadurch resultierenden, auftretenden Phänomene. Neben der Modellierung auf der Porenskala muss auch die Häufigkeit der auftretenden Phänomene analysiert werden. Mit diesen Informationen soll schließlich ein stochastisch basiertes Modell auf die Vollzellskala übertragen werden.

Erklärung Kathode und Anode

Der Wasserstoff wird auf der Anodenseite in die Zelle geleitet und durch die GDL und MPL transportiert. In der CL (Katalysatorschicht) werden die Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen gespalten. Dies ist die Anodenreaktion in der Brennstoffzelle. Die Elektronen werden über die MPL, GDL und den Anoden-Gasverteiler in den elektrischen Kreislauf und zum Verbraucher (z.B. E-Motor) gebracht. Die Protonen gelangen durch die protonendurchlässige PEM-Schicht auf die Kathodenseite der Zelle.

Auf der Kathodenseite befindet sich ein gespiegelter Stapel der porösen Schichten. Sauerstoff wird durch die Luft über den Gasverteiler in die Zelle transportiert und über die GDL und MPL homogen auf der Katalysatorschicht verteilt. Dort reagieren die Sauerstoffmoleküle mit den Protonen, die durch die Membran in die Kathodenkatalysatorschicht gelangt sind. Bei dieser Kathodenreaktion werden Elektronen verbraucht, die aus dem elektrischen Kreislauf in die Kathode gelangen. Bei der Reaktion der Protonen, Elektronen und Sauerstoffmoleküle entsteht Wasser und Wärme. Beides muss über die porösen Schichten der Kathodenseite aus der Zelle heraustransportiert werden.

Wenn das Wasser nicht abtransportiert werden kann, sammeln sich zu viele Wasser-Moleküle in der Brennstoffzelle an. Das führt zu einer hohen Kondensationsrate. Wenn sich zu viel flüssiges Wasser auf der Kathodenseite befindet, werden die Pfade blockiert, durch die der Sauerstoff die Katalysatorschicht erreichen kann. Dies kann zu einer Performance-Reduktion führen.

Wenn die Wärme nicht abtransportiert werden kann, führt dies zu Schäden an der Brennstoffzelle. Bei erhöhten Temperaturen finden Reaktionen in den Katalysatorschichten statt, die dort nicht stattfinden sollen und die das Material beschädigen. Die Oxidationsprozesse führen zu einem vorzeitigeren „Altern“ der Brennstoffzelle.

Vertiefung Simulation:

Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser. Dieses Wasser muss aus der Katalysatorschicht, wo die Reaktionen stattfindet, hinaustransportiert werden um Platz für neue Reaktanten zu schaffen. Geschieht dies nicht, stellt sich bald ein chemisches Gleichgewicht ein und es wird kein Strom durch Reaktionen produziert. Um eine durchgängige Stromversorgung zu gewährleisten, wird das produzierte Wasser über die Kathodenseite abgeführt. Dabei muss das Wasser durch verschiedene poröse Schichten transportiert werden. Durch Kondensation und Evaporation kann es als Wasserdampf und als flüssiges Wasser auftreten. In dieser Simulation wird der Flüssigwassertransport durch die hydrophobe Gasdiffusionsschicht, das heißt Wasser ist die nicht-benetzende Phase, berechnet. Bei dem Material der Gasdiffusionsschicht handelt es sich um eine beschichtete Karbonfaserstruktur. Auf der Porenskala ist dies eine inhomogene und anisotrope Struktur. Um den Wassertransport durch diese Schicht und die Austrittstellen des Wassers vorherzusagen, wird der Porenraum des Materials geometrisch vereinfacht und als Netzwerkstruktur dargestellt. Das heißt die großen Hohlräume werden als Poren (Netzwerkknoten) identifiziert und die offenen Verbindungen dazwischen als Porenhälse (Netzwerkarme). Die vereinfachte Darstellung ermöglicht eine effiziente Berechnung der Transportvorgänge, welche die porenskaligen Eigenschaften der Gasdiffusionsstruktur berücksichtigt.

Die Simulation zeigt an welchen Stellen flüssiges Wasser zuerst aus der Faserstruktur austritt. Mit dieser Information kann die Struktur optimiert werden um die gewünschte Wasserverteilung zu erzielen.

Skala 2: Der Brennstoffzellen-Stack

Erklärvideo: Bosch Brennstoffzelle 2

In diesem Stack befinden sich mehrere Hundert gestapelte Brennstoffzellen. Der brennstoffzellen-Stack generiert die elektrische Energie, die das Fahrzeug benötigt.

Skala 3: Die einzelne Brennstoffzelle und ihre porösen Schichten

Hier wird die Forschung an der PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzelle vorgestellt. Sie besteht aus insgesamt neun porösen und nicht-porösen Schichten und Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Eine einzelne, reale Brennstoffzelle ist sehr dünn.Weniger als 2 cm dick und ca. 30 cm lang.

Öffnet man eine PEM-Brennstoffzelle und trennt die einzelnen Schichten vorsichtig voneinander, erkennt man die neun unterschiedlichen Schichten.

Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) (aus der Luft) werden durch die porösen Schichten der Brennstoffzelle hindurch zueinander geleitet und reagieren schließlich zu Wasser (H₂O), das aus der Zelle hinaustransportiert wird und in die Atmosphäre abgegeben werden kann. Es findet also ein „Transport“ von Wasserstoff und Sauerstoff durch die porösen Schichten der Brennstoffzelle statt.

Reaktionsgleichung von Wasser:  2 H₂ + O₂ ⇌ 2 H₂O

Durch diese Reaktion und das Zusammenwirken der verschiedenen Systeme im Fahrzeug wird elektrische Energie erzeugt und das Fahrzeug schließlich angetrieben. 

Skala 4: Eine einzelne Brennstoffzellen-Schicht

Betrachtet man eine der neun Schichten unter dem Mikroskop – und zwar die GDL-Schicht – erkennt man, dass sie netzwerkartig aufgebaut ist und Hohlräume hat. Sie ist also durchlässig. Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser können durch sie hindurchströmen.

Das ist die GDL-Schicht übertragen in ein Computer-Modell. Mit diesem Modell können Simulationen erstellt werden. So kann beispielweise dargestellt werden, wie und wo genau Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser durch die Schicht strömt.