Das Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart, mit weiteren Forschungsstätten in Köln-Porz, Ulm, Oldenburg und Hamburg, forscht mit über 180 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern auf dem Gebiet effizienter und ressourcenschonender Energiespeicher und Energiewandlungstechnologien der nächsten Generation. Das Spektrum der Arbeiten reicht von theoretischen Studien über grundlagenorientierte Laborarbeiten bis zum Betrieb von Pilotanlagen. Experimentelle und theoretische Untersuchungen werden von systemanalytischen Studien begleitet. Sie analysieren das zugehörige technologische, ökologische und wirtschaftliche Potenzial und stellen sie mit Hilfe von Szenarien in einen größeren, energiewirtschaftlich orientierten Gesamtzusammenhang. Zusätzlich zu den Kernaktivitäten im DLR-Geschäftsfeld „Energie“ bearbeitet das Institut für Technische Thermodynamik ausgewählte Themen aus den Geschäftsfeldern „Luftfahrt“ und „Verkehr“ und bringt dadurch seine Kompetenzen schwerpunktsübergreifend in die Arbeitsgebiete des DLR ein. Es besteht eine enge Vernetzung mit der Universität Stuttgart -insbesondere mit dem Hochschulinstitut für Energiespeicherung - und dem Helmholtz Institut Ulm (HIU) an der Universität Ulm.

Brennstoffzellen erlauben eine effiziente und umweltfreundliche Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Aufgrund ihrer hohen elektrischen Wirkungsgrade und der geringen Emissionen haben Brennstoffzellen das Potential, eine bedeutende Zukunftstechnologie sowohl in der stationären als auch in der mobilen und portablen Stromerzeugung zu werden. Im Bereich der E-Mobilität stellen für die Anwendung im elektrischen Antriebsstrang insbesondere Niedertemperatur-Brennstoffzellen eine vielversprechende Technologie dar, zu diesen zählt auch die wasserstoffbetriebene Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle).

Eine wesentliche Komponente in PEM-Brennstoffzellenstacks ist die sogenannte Bipolarplatte, da diese die Zellen über Strömungsverteiler mit den Reaktandengasen versorgen, die Elektroden elektrisch kontaktieren und die mechanische Integrität im Stack sicherstellen muss. Darüber hinaus leistet die Bipolarplatte auch einen wichtigen Beitrag zur Stack-Temperierung, indem sie Verteilerstrukturen für Kühlmittel bereitstellt, über das die in der Zelle entstehende Reaktionswärme abführt werden kann.

Die Strömungsgeometrie in Kühlmittelverteilerstrukturen stellt im Allgemeinen einen Kompromiss zwischen vorteilhaften Strömungsbedingungen (niedriger Druckverlust, Verteilungshomogenität) und geringem Fertigungsaufwand dar. Während solche Designs für kleine Systemgrößen im Leistungsbereich von typischerweise 80 bis 120 kW (z. B. PKW) bereits existieren, werden zukünftige mobile Schwerlastanwendungen (LKW, Zug, Schiff, Flugzeug, …)  neuartige Stack-Konzepte mit großen Zellflächen benötigen.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Kühlmittelverteilerstruktur für ein neuartiges Design einer großflächigen Bipolarplatte in PEM-Brennstoffzellenstacks für den Einsatz in Schwerlastanwendungen simulativ untersucht werden. Hierfür ist der Kühlmitteltransport mit einem CFD-Modell zu simulieren und das resultierende Strömungsfeld (engl. Flow Field) hinsichtlich Strömungscharakteristika wie Druckverlust oder Homogenität zu bewerten. Darüber hinaus soll anschließend auch der Wärmeübergang auf die Bipolarplatte unter Variation von Betriebsparametern wie Kühlmittelmenge oder Temperatur simuliert und analysiert werden. Ziel dieser Arbeit ist eine abschließende Bewertung der Medienführung in den Kühlmittelverteilerstrukturen eines neuartigen Designs für großflächige Bipolarplatten.

Aufgabengebiete:

• Adaption eines vorhandenen CFD-Modells für den Stoff- und Wärmetransport in den Kühlmittelverteilerstrukturen neuartiger, großflächiger Bipolarplatten
• CFD-Simulation der Kühlmittelströmung (inkl. Wärmeübergang) mittels COMSOL Multiphysics
• Bewertung der Kühlmittelverteilerstruktur hinsichtlich Strömungscharakteristika (Druckverlust, Homogenität, Wärmeübergang)
• Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse