Verbundvorhaben Hoplyt: Hochtemperatur Polymerelektrolytmembran Wasserelektrolyseure - ein innovativer Ansatz für die Energielandschaft von morgen; Teilvorhaben: Thermo- und Fluiddynamik der Zellen

Abstract

Das Teilvorhaben „Thermo- und Fluiddynamik der Zellen“ im Verbundprojekt Hoplyt untersuchte die wissenschaftlichen Grundlagen und das prozesstechnische Verhalten von Hochtemperatur PEM Wasserelektrolyseuren (HT PEMWE). Ziel war es, den Betrieb im Temperaturbereich von 50–150 °C thermodynamisch und fluiddynamisch zu analysieren und modellgestützt zu bewerten. Dazu wurden zwei komplementäre Modelle entwickelt: ein 0D Energiebilanzmodell in Matlab sowie ein 3D CFD Prozessmodell in ANSYS Fluent. Das 0D Modell zeigt, dass der HT Betrieb die reversible Zellspannung reduziert und den thermischen Anteil der Energiezufuhr erhöht, insbesondere beim Übergang vom Flüssig in den Dampfbetrieb. Das CFD Modell wurde von einer vereinfachten Referenzgeometrie zu einer realitätsnaheren Serpentinen Flow Field Struktur weiterentwickelt und um Butler Volmer Kinetik, Joulesche Erwärmung, osmotischen Wassertransport, Kapillardruck und Phasenwechsel erweitert. Nach Kalibrierung anhand experimenteller Polarisationskurven des Projektpartners HI ERN erreichte das Modell eine mittlere Abweichung von rund 6,9 % von experimentellen Daten. Die Simulationen zeigen eine homogene Reaktionsverteilung, nahezu vollständigen Wasserumsatz auf der Anodenseite sowie ausgeprägte thermische Gradienten infolge Joulescher Verluste. Die Ergebnisse bestätigen qualitativ den im 0D Modell prognostizierten Effizienzvorteil des HT Betriebs und identifizieren Optimierungspotenziale in Wasserführung, Kanalgeometrie und Materialparametern. Die entwickelten Modelle bilden eine Grundlage für zukünftige Arbeiten zu Stack Skalierung, thermischer Integration und weiterführender HT PEMWE Forschung.