Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) sind Energiespeicher, die die chemische Energie von Brennstoffen wie Wasserstoff direkt in nutzbare Arbeit umwandeln – mit vernachlässigbarer Umweltbelastung und hohem Wirkungsgrad. Die Geometrie des Bipolarplattenkanals hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle.

Bipolare Platten, die auf von der Natur inspirierten Strukturen wie Blättern, Lungen oder Schwämmen basieren, wurden bereits erfolgreich erforscht, ihr volles Potenzial ist jedoch noch nicht ausgeschöpft. Dieses Projekt untersucht neuartige biomimetische Designs in drei Phasen.

• In der ersten Phase werden verschiedene biomimetische Brennstoffzellenentwürfe mittels Strömungssimulationen (CFD) analysiert, um den vielversprechendsten Entwurf auszuwählen. Die Ergebnisse werden mit denen etablierter Brennstoffzellen, wie beispielsweise der Parallelspulen-Bauweise, verglichen. Der ausgewählte Entwurf verwendet poröse Grapheneinsätze im zentralen Bereich der Platte anstelle der in anderen modernen Entwürfen üblichen vertikalen Kanäle.
   
• In einer zweiten Phase wurde das vielversprechendste biomimetische Design ausgewählt, gefertigt und experimentell auf seine Energieeffizienz hin untersucht (IV-, EIS- und CDM-Kurven). Die Tests erfolgten auf dem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Prüfstand der Thermotechnologie-Gruppe. Die Ergebnisse des neuen biomimetischen Designs wurden analysiert und mit einem Referenzmodell mit parallelen Spulen verglichen. Dabei zeigte sich, dass das neue Design besonders geeignet ist, das Wassermanagement von Brennstoffzellen unter Bedingungen hoher Reaktantenfeuchtigkeit zu verbessern und eine bis zu 6,0 % höhere maximale Leistung als das Referenzdesign zu erzielen.
   
• In einer dritten Phase wird nach der Analyse der vorangegangenen experimentellen Ergebnisse das Design für die Fertigung und Prüfung des finalen Prototyps optimiert. Abschließend wird mit dem optimierten Prototyp ein 500-W-Leistungsmodul für die finale Demonstration der erforschten Technologie hergestellt.
   

Diese Veröffentlichung ist Teil des Forschungs- und Entwicklungsprojekts PID2019-104441RB-I00, das von MCIN/AEI/10.13039/501100011033 finanziert wird.

Förderprogramm:  Herausforderungen des Staatsplans 2017–2020 – F&E&I-Projekte
 

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