Simulation bei Brennstoffzellen seit 2006

Was heute in unserer sehr ideologisch geprägten Zeit oft vergessen wird, ist die Rolle der Energiedichte. Die Energiedichte gibt an, wieviel Energie man pro kg in einem Energiespeicher speichern kann. Die Energiedichte spielt bei der Bewertung des Wasserstoffs als Energiespeicher und der Brennstoffzelle als direkte Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie eine große Rolle.

Energiedichte

Die Einheit, in der die Energiedichte gemessen wird, ist MJ/kg.
Nebenstehend ist in Abbildung 1 die Energiedichte für verschiedene Energieträger in ansteigender Reihe dargestellt (siehe auch Wikipedia).
Die Geschichte technischer Entwicklungen vom Windrad zur Dampfmaschine und dem Verbrennungsmotor geht bislang immer in Richtung höherer Energie- und Leistungsdichten. Je höher die Energiedichte, desto komplexer und anspruchsvoller ist auch die Umsetzung in technische Produkte.

Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Benzin und Diesel, es lässt sich also mehr Energie in 1 kg Wasserstoff speichern als in 1 kg Benzin. In 1 kg Wasserstoff lassen sich 120 MJ an Energie speichern, in 1 kg Diesel 40 MJ und in 1 kg Li-Ionenakku nur 0,5 MJ. Für alle, die noch an Ihrer Sommerfigur arbeiten, Körperfett hat 37 MJ je kg.
Es ist demnach technologisch schwieriger und anspruchsvoller, ein Brennstoffzellenfahrzeug zu bauen, als ein rein batteriegetriebenes Elektrofahrzeug (BEV). Dafür ist es leistungsfähiger und kompakter. Die zu lösenden technologischen Schwierigkeiten, die sich im Preis widerspiegeln, sind höher als bei einem BEV. Was aber auch bedeutet, dass kopieren schwieriger ist (Markteintrittsbarriere). Deutschland ist prädestiniert für die Entwicklung solcher Hochtechnologien, sabotiert sich aber regelmäßig selbst, wenn es darum geht, diese sinnvoll und langfristig zu vermarkten.

Auch in anderen Bereichen sind Energie- und Leistungsdichte Entwicklungstreiber. Mein erstes Autotelefon mit dem ich „nur“ telefonieren konnte, wog damals 11 kg. Heute wiegt ein I-Phone ca. 200 Gramm und beinhaltet neben dem telefonieren die Rechenleistung eines modernen PC´s mit zahlreichen Apps, einschließlich Navigationssystem, Übersetzer, Videospielen u.v.m.
Auch bei Darwin findet sich dieses Prinzip. Vergleicht man nur die zig Tonnen und den Nahrungsbedarf des Tyrannosaurus Rex bei einem sehr überschaubaren Gehirn mit der Leistungsfähigkeit des Gehirns eines heutigen Menschen… obwohl, manchmal ein schlechtes Beispiel!

Der Trend aber ist eindeutig: es geht immer hin zu mehr Leistung auf weniger Raum.

Betrachten wir unter diesem Gesichtspunkt ein Brennstoffzellenfahrzeug. Zumindest der Energiespeicher kann bei gleicher Energie wesentlich kompakter gebaut werden, als bei einem reinen Batteriefahrzeug. Auch verglichen mit einem Verbrenner ist die Energiedichte höher.

Es lässt sich schneller betanken und hat eine wesentlich höhere Reichweite. Minuspunkte sind sicherlich unter anderem der hohe Preis.

Und Wasser kann im Winter gefrieren!

Ein Brennstoffzellenantrieb benötigt einen Tank für Wasserstoff, einen kleinen, leistungsfähigen Akku, die Brennstoffzelle zur Stromerzeugung, einen elektrischen Antriebsstrang, Elektromotoren sowie diverse Hilfsaggregate wie Zwischenkühler und Luftbefeuchter.

Ein Brennstoffzellenantrieb muss dabei in etwa die gleiche Menge an Wärme an die Umgebung abgeben, wie ein Verbrennungsmotor, bei dem die Leistung etwa 1/3 in den Kühler geht, 1/3 zum Antrieb genutzt werden kann, und 1/3 über das Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Allerdings ist beim Brennstoffzellenantrieb die Temperaturdifferenz zur Umgebung wesentlich geringer, was die Wärmeabgabe physikalisch erschwert.

Das Herz einer Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: der Anode und der Kathode. Sie sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt, der für Gase undurchlässig ist. Jede der Elektroden ist mit einem Katalysator, beispielsweise aus Nickel oder Platin, beschichtet. Der Anode wird Wasserstoff (H₂) zugeführt, der Kathode Sauerstoff (O₂). Auf der Anodenseite wird der Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Elektronen fließen von der Anode über einen äußeren Kreislauf zur Kathode. Es fließt also Strom. Die Protonen diffundieren durch den Elektrolyten zur Kathode. An dieser entsteht aus den Protonen und Elektronen zusammen mit dem zugeführten Sauerstoff aus der Umgebungsluft Wasser (H₂O). Eine Brennstoffzelle produziert demnach fortlaufend elektrische Energie, Wärmeenergie und Wasser.

Im Vergleich zur Batterie hat die Brennstoffzelle den Vorzug, dass ein kontinuierlicher Betrieb sehr lange ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen möglich ist. Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb können große Mengen Wasserstoff mitführen, ohne dass ihr Gewicht stark ansteigt.

Schauen wir uns die 4 Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenantriebs und die damit verbundenen Aufgabenstellungen etwas genauer an:

Wir gehen hier von einem Flüssigtank mit einem 700 bar unter Normbedingungen aus. Die Umgebungstemperatur kann von -40°C bis 85°C schwanken, wodurch der Druck im Tank bis zu 875 bar steigen kann.

Die Tanks müssen bei mobilen Anwendungen leicht und trotzdem sicher sein, daher kommen hier aus GFK und CFK gewickelte Tanks zum Einsatz.

Beim Befüllen des Tanks kommt es aufgrund der hohen Drücke zu einer Vereisung der Zapfanlage.

Ein Behälter unter so einem hohen Druck ist eine kleine Bombe. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen und des nicht ganz einfachen Fertigungsprozesses müssen die Tanks daher umfassend getestet werden.

Alle Zellen des Stacks sollten aufgrund des Wirkungsgrades und der Temperatur möglichst gleichmäßig durchströmt werden (Gleichverteilung). Die Temperaturverteilung muss möglichst homogen sein.

Dichtheit auch über mehrere Jahre stellt hohe Anforderungen.

Die Luft für die Brennstoffzelle muss sehr rein sein. Es dürfen keine Staubpartikel in den Stack gelangen. Die Luft muss eine definierte Luftfeuchtigkeit haben.

Im Zwischenkühler müssen hohe Wärmeströme bei geringen Temperaturdifferenzen an die Umgebung abgeführt werden.

Die Batterie bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ist wesentlich kleiner als bei einem BEV und dient als Puffer, um Leistungsspitzen abzufangen. Die Elektromotoren müssen effizient gekühlt werden.

Die Herausforderung an die Modellierung und die Simulation, ob CFD oder FEM,  ist, dass bei der Brennstoffzelle mehrere physikalische Bereiche (Elektrochemie, Thermomechanik, Strukturmechanik und Strömungsmechanik) über verschiedene Detaillierungsstufen (Verhalten des Gesamtfahrzeugs im Verkehr hinunter bis zum Verhalten einer Einzelkomponente) betrachtet werden müssen.

Bei Gesamtsystemsimulationen z.B. dem Gesamtfahrzeug ist eher das Verhalten wichtig, bei Komponenten eher einzelne Effekte. Bei der Modellierung spricht man von 0D, 1D oder 3D Modellen. Je umfassender das zu betrachtende System, desto einfacher ist der Modellansatz für die Vielzahl an Komponenten. So kann eine Brennstoffzelle als transientes 3D-Modell berechnet werden, bei der z.B. die Temperaturfelder als Funktion der Zeit beschrieben werden, durch die mittlere Temperatur entlang der Strömung (1D) oder nur durch die mittlere Temperatur des gesamten Stacks (0D).

Aus dem gesagten ergeben sich eine Vielzahl von Fragestellungen, die mit Hilfe der Simulation, Struktursimulation FEM oder Strömungssimulation CFD untersucht und beantwortet werden können.

Hier nun ein paar Beispiele, die wir in den vergangenen 16 Jahren im Bereich Brennstoffzelle berechnet haben:

• Dichtverhalten des Stacks unter Temperatureinfluss
• Gleichverteilung der Anströmung des Stacks
• Elektrochemisches Verhalten des Stacks und Abgleich der Temperaturen mit Versuchsergebnissen
• Verhalten von Flanschen, Wasserstoffleitungen und Dichtungen hinsichtlich Kriechverhalten und Dichtigkeit über der Zeit bei unterschiedlichen Zyklen
• Entwicklung von Kriechmodellen anhand von Werkstoffmessungen
• Simulation des Befeuchtungsprozesses über Strömungssimulation mit Mehrphasenmodellen
• Nachrechnung und Optimierung der Wärmetauscher
• Verhalten der Folien des Stacks beim Verpressen
• Vergleich der Transportmechanismen anhand von 1-D Simulationsergebnissen
• Optimierung von H2 Wellenschläuchen hinsichtlich Beulsicherheit
• Untersuchung von Brennstoffzellenstacks mit Bändern im Crashfall.
• Entwicklung von Endplatten aus Kunststoff statt Metall
• Untersuchung von kompletten Tanksystems aus gewickelten GFK-Tanks
• Untersuchung von H2 Truck und H2 Trailer hinsichtlich Struktur und Crash
• Auslegung von Prüfkammern von Wasserstoffflaschen
• u.v.m.

Wie Sie sehen, haben wir uns im Laufe der letzten 16 Jahre bereits mit verschiedensten Themen der Brennstoffzellensimulation beschäftigt, als das Thema Wasserstoff noch in den Kinderschuhen steckte.

Nutzen Sie unsere langjährigen Erfahrungen bei der Simulation von Brennstoffzellen und Komponenten. Wir freuen uns auf Ihre Aufgabenstellungen an uns.