Wasserstoff
Einleitung
Die Entwicklung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist eng mit der Geschichte der Elektrochemie verbunden. Der Beginn dieser Technologien lässt sich bis ins frühe 19. Jahrhundert zurückverfolgen. Im Jahr 1800 entdeckten die britischen Wissenschaftler William Nicholson und Anthony Carlisle die Elektrolyse von Wasser, ein Verfahren, bei dem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Diese Entdeckung legte den Grundstein für die Entwicklung von Elektrolyseuren. Parallel dazu entwickelte der Schweizer Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein im Jahr 1838 das Konzept der Brennstoffzelle, indem er die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie demonstrierte. Später verfeinerte Sir William Grove im Jahr 1842 dieses Konzept und baute die erste praktische Brennstoffzelle. Im 20. Jahrhundert erlebten beide Technologien bedeutende Fortschritte, insbesondere durch die Forschung zur Wasserstoffwirtschaft und die Bemühungen um nachhaltige Energiequellen. Heute sind Elektrolyseure und Brennstoffzellen zentrale Komponenten in der Entwicklung sauberer Energielösungen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf eine kohlenstoffarme Wirtschaft.
Brennstoffzelle und Elektrolyseur sind zwei Seiten einer Medaille.
Die Gemeinsamkeiten: Beide Systeme haben eine ähnliche Struktur mit Anode, Kathode und einem elektrolytischen Medium. Sie nutzen elektrochemische Reaktionen, um entweder Energie zu erzeugen (Brennstoffzelle) oder zu speichern (Elektrolyseur).
Unterschiede: Der Hauptunterschied liegt in der Richtung der Energieumwandlung. Elektrolyseure nutzen elektrische Energie zur Erzeugung chemischer Energieträger (Wasserstoff), während Brennstoffzellen chemische Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzen.
Im industriellen Einsatz werden einzelne Zellen in einem Stack aufgebaut, um eine kompakte Bauweise zu erreichen.
Merkle CAE beschäftigt sich bereits sein Ende der 90er Jahre mit der Simulation im Bereich der Brennstoffzelle. In den letzten Jahren kamen immer mehr Aufgabenstellungen aus dem Bereich der Wasserstofferzeugung mit Hilfe von Elektrolyseuren hinzu.
Anforderungen
Da Wasserstoff und Sauerstoff ein explosionsfähiges Gemisch bilden, sind die Anforderungen an Sicherheit und Dichtheit über die gesamte Lebensdauer wichtig. Darüber hinaus spielen eine kompakte Bauweise sowie ein hoher Wirkungsgrad eine große Rolle. Des Weiteren muss auch das Verhalten bei einem Bruch einer Membran bewertet werden. Führt eine lokale Explosion in einer Zelle zu einer Explosion im gesamten Stack?
Neben den genannten Themen ist auch die Temperaturverteilung wichtig, die aus der Stromdichteverteilung in der Zelle resultiert.
Nachfolgend sind anhand eines einfachen Elektrolyseurs die Aufgabenstellungen beschrieben, welche Merkle CAE bei der Auslegung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bearbeitet. Da die Themen ähnlich sind, wird im Folgenden nicht zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyseur unterschieden.
Endplattensteifigkeit und Dichtheit
Die einzelnen Zellen eines Stacks werden durch Endplatten zusammengehalten und über Schrauben und Tellerfedern gezielt vorgespannt.
Die Endplatten können unterschiedlich ausgeformt sein:
Zwischen den einzelnen Kammern muss ebenfalls eine ausreichende Abdichtung gegeben sein. Je nach Materialien muss auch das Dichtverhalten im Laufe der Zeit durch Kriecheffekte analysiert werden.
Anhand dieser FEM-Untersuchungen lassen sich verschiedenste Konzepte miteinander vergleichen und bewerten. Auch können Demonstratoren im Labor auf große Anwendungen im Megawattbereich skaliert werden. Während die Drücke bei Brennstoffzellen üblicherweise zwischen 1-7 bar liegen, betragen sie beim Elektrolyseur zwischen 1-50 bar. Damit fallen sie ab einer gewissen Baugröße unter die Bemessungsvorschriften von Druckgeräten nach AD2000, DIN EN 13445 oder ASME. Die Druckhülle kann daher sinnvollerweise als Druckbehälter ausgeführt werden. Das Festigkeitsverhalten bei Explosionslasten kann entweder anhand konservativer Abschätzungen oder genauer nach Bestimmung der Explosionslasten über CFD-Simulationen (siehe weiter unten) nach DIN EN 14460 erfolgen.
Strömungsanalyse, Gleichverteilung und Flowfield
Die Durchströmung des Stacks spielt für den Wirkungsgrad ebenfalls eine wichtige Rolle. Alle Zellen sollten möglichst gleichmäßig durchströmt werden, um für eine gegebene Leistung eine kompakte Bauweise zu ermöglichen.
Ziel einer Zelldurchströmung ist es, dass die Druckverluste in der Strömung relativ gering sind und der Bauraum ausgenutzt wird.
Ziel bei der gesamten Durchströmung ist es, dass alle Zellen gleichmäßig durchströmt werden.
Temperaturverteilung und Stromdichteverteilung
Die Temperaturverteilung ist bei Brennstoffzellen von entscheidender Bedeutung, da sie die Effizienz und Lebensdauer der Zelle stark beeinflusst. Die chemischen Reaktionen in der Zelle laufen bei höheren Temperaturen schneller ab, was die Leistung erhöht. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist wichtig, um lokale Überhitzungen zu vermeiden. Insbesondere in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) muss die Membran ausreichend befeuchtet und bei einer bestimmten Temperatur gehalten werden, um eine gute Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten. Zu hohe Temperaturen können die Membran austrocknen und beschädigen. Darüber hinaus haben die Materialien in der Brennstoffzelle optimale Betriebstemperaturen; hohe Temperaturen können ihre Lebensdauer verkürzen, während zu niedrige Temperaturen die Reaktionen verlangsamen und die Effizienz mindern. Ein effizientes Wärmemanagement sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung und verhindert Hotspots, die die Zelle schädigen könnten. Der optimale Temperaturbereich variiert je nach Zelltyp: PEMFCs arbeiten am besten zwischen 60°C und 80°C. Insgesamt ist die Kontrolle der Temperaturverteilung entscheidend, um die maximale Effizienz und Lebensdauer der Brennstoffzelle sicherzustellen.
Temperaturverteilung und die Stromdichteverteilung in Brennstoffzellen hängen dabei eng zusammen. Die chemischen Reaktionen, die Strom erzeugen, produzieren auch Wärme, sodass Bereiche mit höherer Stromdichte mehr Wärme erzeugen. Dies führt zu ungleichmäßigen Temperaturen, wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt wird. Die Protonenleitfähigkeit der Membran, die für die Stromerzeugung entscheidend ist, hängt von der Temperatur ab. Bei optimalen Temperaturen ist die Leitfähigkeit höher, was zu einer gleichmäßigeren Stromdichte führt. Ungleichmäßige Temperaturen können die Membran austrocknen, wodurch die Leitfähigkeit und damit die Stromdichte sinken. Darüber hinaus kann eine ungleichmäßige Temperaturverteilung Hotspots verursachen, die das Material schneller abbauen und die Effizienz der Reaktionen verringern. Daher beeinflussen sich Temperatur- und Stromdichteverteilung gegenseitig. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung trägt dazu bei, die Stromdichte gleichmäßig zu halten und die Effizienz und Lebensdauer der Brennstoffzelle zu maximieren.
Bei einer Brennstoffzelle ist zudem die Feuchtigkeit wichtig, weil sie hilft, die Membran im Inneren der Zelle funktionsfähig zu halten. Diese Membran ermöglicht den Transport von Ionen, was für die chemischen Reaktionen notwendig ist, die Strom erzeugen. Wenn die Membran zu trocken wird, kann sie Risse bekommen und die Effizienz der Brennstoffzelle sinkt. Andererseits kann zu viel Feuchtigkeit zu Überschwemmungen führen und die Reaktionsflächen blockieren. Ein ausgewogenes Feuchtigkeitsniveau sorgt daher für eine optimale Leistung und Langlebigkeit der Brennstoffzelle
Mehrphasenströmung, Wasserabscheidung, Gasblasen
Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) von mehreren Phasen (Gas, Wasser) in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren ist aufwändig, weil sie verschiedene komplexe Aspekte berücksichtigen muss. Zunächst erfordert sie die Berücksichtigung der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und Verhaltensweisen jeder Phase, wie Dichte und Viskosität, sowie deren Wechselwirkungen. Diese Interaktionsmodelle, beispielsweise das Auflösen von Gas in Flüssigkeit oder das Aufsteigen von Blasen, sind sehr komplex und benötigen viele Berechnungen. Um diese Phaseninteraktionen genau zu erfassen, ist eine sehr feine Gitterauflösung erforderlich, was die Anzahl der Berechnungspunkte stark erhöht. Schließlich erfordert die Vielzahl der notwendigen Berechnungen und die feine Auflösung eine erhebliche Rechenleistung und Speicherressourcen, um präzise Ergebnisse zu liefern. Diese Faktoren machen die Simulation zeit- und ressourcenintensiv.
Aber auch hier kann Merkle CAE mit geeigneten Ansätzen unterstützen.
In der Simulation können beide Phasen betrachtet werden.
Elektrochemie, Vergleich zwischen Versuch und Berechnung
In einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) durch eine elektrochemische Reaktion in Wasser (H2O) umgewandelt. Dabei wird Wasserstoff an der Anode in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen wandern durch eine leitende Membran zur Kathode, während die Elektronen über einen externen Stromkreis fließen und elektrische Energie liefern. An der Kathode reagieren die Protonen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser. Diese Reaktion erzeugt kontinuierlich Strom, Wärme und Wasser.
Die Elektrochemie ist stark mit der Temperatur in der Zelle gekoppelt. Daher bietet es sich bei der Abstimmung zwischen Versuch und Rechnung an, diesen Wert miteinander zu vergleichen.
Das Rechenmodell zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den im Versuch gemessenen Werten.
Charakterisierung von Geweben und Metallschäumen über CFD Simulationen
Verstärkt werden bei Elektrolyseuren auch Gewebe oder Schäume bei den Elektroden eingesetzt. Das Verhalten dieser Stoffe kann ebenfalls über CFD-Analysen hinsichtlich des Charakterisierung der Porosität für komplexere Modelle betrachtet werden.
Explosionsberechnung über CFD
Die Explosionsbelastungen lassen sich anhand von CFD-Simulationen mit Berücksichtigung der Reaktionskinetik genauer beschreiben. Die zu untersuchenden Szenarien richten sich nach den Anforderungen, die getestet werden müssen.
Merkle CAE hat hier einschlägige Erfahrungen sowohl bei Explosionen in einer oder mehreren Zellen, als auch bei Explosionen innerhalb der Kanäle. Die sich ergebenden Druckverteilungen lassen sich für den eigentlichen Nachweis als Zeitfunktionen auf das FE-Modell übertragen und bewerten. Insbesondere ist auch hier die Dichtheit ein ausschlaggebendes Bewertungskriterium, um Explosionsherde lokal zu begrenzen.
Auch die Testräume lassen sich bewerten.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Entwicklung und Optimierung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist ähnlich, da beide auf elektrochemischen Reaktionen basieren. Elektrolyseure nutzen elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff, während Brennstoffzellen Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie verwenden.
Die Simulation spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung dieser Technologien, indem sie die Temperatur- und Stromdichteverteilungen analysiert, die die Effizienz und Lebensdauer der Zellen beeinflussen und betrachtet, ob das System mechanisch dicht ist. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist wichtig, um lokale Überhitzungen zu vermeiden und die Membranleitfähigkeit zu gewährleisten. Die CFD-Simulation von Mehrphasenströmungen ist sehr komplex und erfordert erhebliche Rechenressourcen. Hier finden aktuell weitere Entwicklungen statt, um auch komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen und in Zukunft mit leistungsfähigeren Rechnern zu lösen.
Insgesamt sind die Herausforderungen in der Dichtheit, dem Wärmemanagement und der Strömungsverteilung sowie das Verhalten bei lokalen Explosionen im Stack entscheidend für die Leistung und Sicherheit von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
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