Designing multifunctional materials for proton exchange membrane fuel cells
Project of the research network "Reduction and reuse of CO2: renewable fuels for efficient electricity production"
Auf einen Blick
- Projektleiter/in : Prof. Dr. Jürgen Schumacher
- Projektteam : Luigino Capone, Dr. Jaka Dujc, Dr. Lorenz Holzer, Philip Marmet, Dr. Omar Pecho, Dr. Ole Stenzel, Dr. Roman Vetter
- Projektvolumen : CHF 341'998
- Projektstatus : abgeschlossen
- Drittmittelgeber : SNF (NFP 70 «Energiewende»)
- Projektpartner : Paul Scherrer Institut PSI / Fuel Cell Systems and Diagnostics
- Kontaktperson : Jürgen Schumacher
Beschreibung
IN KÜRZE
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung der
chemischen Energie eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) in
elektrische Energie. Als einziges Nebenerzeugnis der
Energiewandlung („Abgas“) entsteht Wasser.
In einer Brennstoffzelle finden mehrere physikalische und elektrochemische Prozesse statt; hierzu werden spezielle multifunktionale Materialien benötigt. Für einen effizienten Betrieb der Zellen müssen mehrere Transportprozesse in porösen Materialien aufeinander abgestimmt werden. Forschungsgebiete des Projekts sind die experimentelle Charakterisierung und das modellbasierte Design der multifunktionaler Materialien.
INHALT UND ZIEL DES FORSCHUNGSPROJEKTS
Ziel des Forschungsprojekts ist es, die in
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen verwendeten
multifunktionalen porösen Materialien zu verbessern. Die
Materialien sollen ein optimales Wassermanagement der Zellen
ermöglichen - wichtig ist dabei der Abtransport von flüssigem
Wasser, das bei der elektrochemischen Reaktion in den
Brennstoffzellen entsteht. Zudem müssen die Materialien den
Transport elektrischer Ladung, von Wärme und von Gasen ermöglichen
und kostengünstig sein.
Unser Ziel ist es ein experimentell validiertes Computermodell von Brennstoffzellen zu entwickeln, wobei v.a. die Prozesse der Produktion und des Transports von flüssigem Wasser berücksichtigt werden sollen. Unser Arbeitsprogramm ist dabei: (i) experimentelle Bestimmung der Eigenschaften der trockenen, porösen Materialien mithilfe von Röntgentomographie. Es werden Algorithmen für die Bildanalyse und für das Post-Processing entwickelt, (ii) Entwicklung eines Modells auf der Porenskala, in dem der Transport von flüssigem Wasser und der Einfluss des Wassers auf andere Transporteigenschaften (Gase, Wärme, elektrische Ladung) berücksichtigt werden, (iii) Untersuchung des Wassers an den Grenzflächen der Materialien.
WISSENSCHAFTLICHER UND GESELLSCHAFTLICHER KONTEXT DES
FORSCHUNGSPROJEKTS
Das Projekt wird dazu beitragen, die Performance von
Brennstoffzellen zur erhöhen und die Kosten für die Produktion von
elektrischem Strom aus Wasserstoff zu verringern. Ein attraktiver
Preis und eine hohe Leistungsdichte sollen die Brennstoffzellen zu
einer wettbewerbsfähigen emissionsfreien Technologie im Vergleich
zum Einsatz fossiler Energiewandler im Mobilitätsbereich machen.
Ihre Anwendung wird zur Verringerung der CO2-Emissionen im
Transportbereich beitragen. Weitere Anwendungen sind der Einsatz im
Hausenergiebereich zur kombinierten Wärme- und
Stromproduktion.
Weiterführende Informationen
Publikationen
-
Vetter, Roman; Schumacher, Jürgen,
2019.
Free open reference implementation of a two-phase PEM fuel cell model.
Computer Physics Communications.
234, S. 223-234.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.07.023
-
Vetter, Roman; Schumacher, Jürgen O.,
2018.
A new open-source PEMFC simulation tool for easy assessment of material parameterizations [Poster].
In:
15th Symposium on Modeling and Validation of Electrochemical Energy Devices. ModVal 2018 : Book of Abstracts.
34th PSI Electrochemistry Symposium, Villigen, 25. April 2018.
Winterthur:
ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000240521
-
Vetter, Roman; Schumacher, Jürgen,
2017.
Toward predictive PEFC simulation : the importance of thermal and electrical contact resistance [Poster].
In:
14th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation (ModVal 14), Karlsruhe, 2-3 March 2017.
Winterthur:
ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.21256/zhaw-3634
-
Marmet, Philip; Capone, Luigino; Lamibrac, Adrien; Dujc, Jaka; Schumacher, Jürgen,
2016.
Ensemble-based study of equilibrium liquid water distribution in PEM gas diffusion layer.
In:
13th Symposium on Modeling and Experimental Validation of Fuel Cells, Electrolysers and Batteries, EPFL Lausanne, Switzerland, 22 March 2016.