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 mobilen Anwendungen werden hierbei insbesondere die Niedertemperatur-Brennstoffzellen dominieren, zu denen auch die wasserstoffbetriebene Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) zählt.

Die wesentlichen Komponenten eines PEM-Brennstoffzellenstacks sind die Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) sowie die Bipolarplatten (BPPs). Innerhalb eines Brennstoffzellenstacks ist eine Vielzahl dieser Komponenten abwechselnd hintereinander zwischen zwei Endplatten angeordnet. Da jede Membran-Elektroden-Einheit und jede Bipolarplatte entsprechende Aussparungen, die sogenannten Ports, besitzt, ergeben sich durch diese Anordnung Kanäle innerhalb des Brennstoffzellenstacks, die entlang der Längsachse des Stacks verlaufen. Über diese sogenannten Manifolds werden alle Bipolarplatten bzw. Membran-Elektroden-Einheiten mit den Reaktionsmedien Wasserstoff und Luft versorgt bzw. wird ein ebenfalls erforderliches Kühlmittel zu den einzelnen Bipolarplatten geleitet.

Für einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstacks müssen sowohl die Reaktionsmedien Wasserstoff und Luft als auch das Kühlmittel möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Bipolarplatten verteilt werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll zunächst das Strömungsfeld der Luft in den Manifolds eines bereits existierenden Bipolarplattendesigns simuliert werden. Hierzu ist ein einphasiges CFD-Modell zu erstellen, mit dem die Luftströmung innerhalb des Stacks sowie die Aufteilung des Gasstroms auf die einzelnen Bipolarplatten bei unterschiedlichen Strömungskonfigurationen beschrieben werden kann. Basierend auf den damit erhaltenen Ergebnissen soll anschließend das Design der Ports in den Bipolarplatten angepasst und gegebenenfalls optimiert werden.

Aufgabengebiete:

• strömungstechnische CFD-Simulation mittels FEM (COMSOL Multiphysics)
• Gestaltung und Konstruktion von Portstrukturen für Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten mittels CAD
• Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse