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Zweidimensionale numerische Simulation von direkt mit Methanol betriebenen Brennstoffzellen (DMFC)

Bearbeiter: J. Fuhrmann , K. Gärtner

Kooperation: J. Divisek (Forschungszentrum Jülich GmbH, IWV3, Energieverfahrenstechnik)

Förderung: IWV3, Jülich

Beschreibung der Forschungsarbeit:

Die DMFC ist ein Kandidat für in Kraftfahrzeugen einsetzbare Energiequellen.

Die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten, Gasen, Elektronen und Ionen, Katalysatorplätzen usw. werden im gegenwärtig untersuchten Modell durch ein System von zehn gekoppelten partiellen Differentialgleichungen und zwölf gewöhnlichen Differentialgleichungen beschrieben. Einen Überblick über die Variablen und geometrischen Verhältnisse gibt die folgende Tabelle und Abbildung:

Anode Flüss. Kanal Elektr. Kontakt

$\begin{figure} \ProjektEPSbildNocap {0.95\textwidth}{bz_sing.polyx-tri.eps} \end{figure}$

Kathode Gas Kanal Elektr. Kontakt

Kohlenst.	Kohlenst.	Nafion	Kohlenst.	Kohlenst.
Teflon	Nafion + Pt		Nafion + Pt	Teflon
CH₃OH-D.	CH₃OH-D.
H₂O-Dampf	H₂O-Dampf		H₂O-Dampf	H₂O-Dampf
CO₂-Gas	CO₂-Gas
			N₂-Gas	N₂-Gas
			O₂-Gas	O₂-Gas
H₂O-flüss.	H₂O-flüss.	H₂O-flüss.	H₂O-flüss.	H₂O-flüss.
CH₃OH-gel.	CH₃OH-gel.	CH₃OH-gel.	CH₃OH-gel.	CH₃OH-gel.
CO₂-gel.	CO₂-gel.	CO₂-gel.	CO₂-gel.	CO₂-gel.
e^-	e^-		e^-	e^-
	H⁺	H⁺	H⁺
	$\Theta_i$ , i=1,...,8		$\Theta_i$ , i=1,...,8
	Katalys. Zust.		$\theta_i$ , i=1,...,4

Die Methanol-Wasser-Mischung tritt durch den linken Kanal (der einen Teil des produzierten CO₂ in gasförmiger und flüssiger Form abführt) ein. Der rechte Kanal führt O₂ zu und z. B. Wasser ab. Beide poröse Diffusionsschichten leiten den Elektronenstrom zu einem Kontaktsegment an der Oberfläche. Das heißt, Modell und Zellentwurf müssen drei gekoppelte Transportprobleme lösen: Flüssigkeits-, Gas- und geladener Teilchentransport, die miteinander in verschiedener Weise wechselwirken.

Die wesentlichste Charakterisierung der DMFC erfolgt durch ihre elektrische Kennlinie. Außerdem interessieren viele andere Größen wie z. B. der Anteil der parasitären Methanolreaktion (in der kathodenseitigen Reaktionszone), Leistung, Wirkungsgrad, molare Ströme. Die folgenden Abbildungen zeigen berechnete typische Verteilungen der einzelnen gesuchten Dichten (Partialdrucke, Potentiale) und eine Kennlinie mit Turningpoints, die aus der Wechselwirkung zwischen Zweiphasenströmung und Elektrochemie resultieren.

**Abb. 1:** ]
$\makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{*}{[}{v} \makeatother$

0.65pres_02O2.epsui_comp7th.eps

Projektliteratur:

H. DOHLE, J. DIVISEK, R. JUNG, Process engineering of the direct methanol fuel cell, J. Power Sources, 86 (2000), pp. 469-477.
A. A. KULIKOVSKY, J. DIVISEK, A. A. KORNYSHEV, Two dimensional simulation of direct methanol fuel cell: A new (embedded) type of current collectors, J. Electrochemical Soc., 147 (2000), pp. 953-959.