Vorhersage der Kondensation von flüssigem Wasser in PEM-Brennstoffzellen durch Kopplung von CFD mit 1D-Modellen

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Technologie für zukünftige Verkehrsanwendungen. Allerdings können nicht optimierte Startverfahren bei niedrigen Temperaturen zu einem frühen Versagen der Zellen führen. Detaillierte CFD-Modelle können die Optimierung von Kaltstartverfahren unterstützen, können jedoch aufgrund ihrer Komplexität oft nicht stabil gelöst werden. Eindimensionale (1D) Modelle können schnell berechnet werden, sind jedoch vereinfacht, sodass das Verhalten der Zellen nicht mehr genau bestimmt werden kann. In diesem Beitrag wird eine Kopplung zwischen einem 2D-CFD-Modell der Gaskanäle und einem 1D-Modell der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) realisiert. Diese Methode ermöglicht es nicht nur, den Standort und die Menge des kondensierten Wassers zu bestimmen, sondern auch die genaue Konzentration der Reaktantgase entlang der Kanäle zu berechnen. Die Untersuchungen zeigen, dass die Konzentrationen der Gase und die relativen Feuchtigkeiten in den Gaskanälen stark von der Stromdichte beeinflusst werden. Es hat sich herausgestellt, dass es nicht möglich ist, die Bildung von flüssigem Wasser bei niedrigen Betriebstemperaturen durch Steuerung der Stromdichte zu vermeiden.