Brennstoffzellen mit mehr Leistung durch einen besseren Fluss
In unserem Bestreben, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu minimieren und gleichzeitig die Umwelt zu schützen, haben Brennstoffzellen in den vergangenen 50 Jahren als alternative, erneuerbare Energiequelle enorm an Interesse gewonnen. Besondere Aufmerksamkeit erhielten Festoxidbrennstoffzellen (englisch Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), weil sie sehr effizient und kostengünstig sind, mit unterschiedlichen Brennstoffen laufen können und offensichtliche Umweltvorteile haben. Ohne bewegliche Teile arbeiten sie vibrationsfrei und stellen somit keine Lärmbelästigung dar. Allerdings führt eine ungleiche und ineffiziente Verteilung des Reaktantgases vor allem bei hoher Brennstoffausnutzung Bedingungen häufig zu verminderter Leistungsfähigkeit. Mithilfe von Fördermitteln aus dem Projekt Hydrosofc haben europäische Forscher versucht, mithilfe einfacher Flussmodellierungstechniken, die rechnerisch günstiger als komplexe CFD-Methoden (computational fluid dynamics) sind, die wichtigsten Faktoren bei der Strömungsverteilung zu untersuchen und eine zuverlässige Vorhersage zu ermöglichen. Solche Methoden könnten den Ingenieuren die erforderliche Genauigkeit schneller liefern und die Optimierungsmöglichkeiten verbessern. Die Wissenschaftler entwickelten drei verschiedene Modelle, um eine Reihe von Wirkungen und ihre Bedeutung für die Strömungsverteilung zu simulieren, darunter ein semi-dreidimensionales CFD-Modell, ein zweidimensionales analytisches Modell und ein zweidimensionales hydraulisches Modell. Sie stellten fest, dass der Betrieb des Stapels unter elektrischer Belastung (hohe Brennstoffausnutzung) die Fehlverteilung bei U-Flow-Konfigurationen der Leitungen (wie bei einer Kehrtwende) erhöhte. Hierbei liegen Eintritt und Austritt auf derselben Seite, anders als bei einem Z-Flow, bei dem der Fluss auf einer Seite eintritt und auf der gegenüberliegenden Seite austritt. Den Modellen zufolge wurde die Fehlverteilung durch das Verhältnis des Druckabfalls in den Einlass- und Auslassleitungen des Modells zum Druckabfall im Strömungsfeld der Brennstoffzelle bestimmt. Experimentelle Messungen bestätigten die Berechnungsergebnisse und unterstrichen die Eignung des hydraulischen Modells bei der Berechnung der Flussverteilung in Brennstoffstapeln mit der für die Konstruktion erforderlichen Genauigkeit. Die Wissenschaftler von Hydrosofc lieferten ein vereinfachtes rechnerisches Flussmodell, mit dem sich Fehlverteilungen vorhersagen lassen, die für die Leistung von Festoxidbrennstoffzellen wesentlich sind. Damit überwinden sie eine der zentralen Hürden auf dem Weg zu einer kommerziellen Nutzung dieser Energiequellen.
