Zweiphasen CFD-Simulation eines Wassereinspritzsystems für LT-PEM Brennstoffzellen

LT-PEM-Brennstoffzellen bieten eine vielversprechende Möglichkeit, chemische Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Technologie kann als Ersatz für CO2-emittierende Energieumwandlung eingesetzt werden und so Treibhausgasemissionen reduzieren. Sie findet Anwendung in Fahrzeugen und stationären Systemen. Ein Großteil der Forschung im Bereich der Brennstoffzellen konzentriert sich auf den Stack. Der Kathodenpfad, als komponentenreicher und komplexer Teil des Gesamtsystems, bietet jedoch ebenfalls ein hohes Optimierungspotenzial. Im Projekt OPTIKATH wird angestrebt, die Leistungsdichte zu erhöhen und das Bauvolumen des Kathodenpfads durch die Analyse der Befeuchtung und Verdichtung im Kathodenpfad zu reduzieren. Besonderes Augenmerk liegt auf den Komponenten, die für die Befeuchtung und Verdichtung verantwortlich sind. Für einen optimalen Betrieb mit hoher Effizienz, guter Dynamik und langer Lebensdauer der Brennstoffzelle muss das zugeführte Prozessgas eine hohe Feuchtigkeit aufweisen. Dies kann durch verschiedene Verdampfungsverfahren, wie die direkte Einspritzung von flüssigem Wasser, erreicht werden.In dieser Arbeit wird die Einspritzung und Verdampfung von Wassertröpfchen in einer bestehenden Komponente, die Luft zur Befeuchtung durch eine Gyroidstruktur führt, mittels Simulationen untersucht. Ein vereinfachtes Modell des Verdampfungskörpers wurde erstellt und transiente numerische Strömungssimulationen unter verschiedenen Anfangs-und Randbedingungen mit der Software ANSYS FLUENT durchgeführt. Besonders deutlich wird der Einfluss des Wärmetransfers im Verdampfungskörper. Auch die eingespritzte Wassermassenstrom und deren Temperatur beeinflussen die Taupunkttemperatur. Für die Einspritzung wird ein optimaler Einspritzwinkel ermittelt, der eine homogene Verteilung der Wassertröpfchen über den Querschnitt des Körpers gewährleistet. Die Simulationsergebnisse zeigen klare Trends bezüglich der Einflussfaktoren und des Einspritzwinkels auf die Verdampfungsleistung. Quantitative Aussagen sind jedoch aufgrund fehlender Validierung nicht möglich.

LT-PEM fuel cells offer a promising way of efficiently converting chemical energy into electrical energy. This technology can be used as a replacement for CO2-emitting energy conversion and thus reduce greenhouse gas emissions. It is used in vehicles and stationary systems. Much of the research in the field of fuel cells focuses on the stack. However, the cathode path, as a component-rich and complex part of the overall system, also offers great potential for optimization. The OPTIKATH project aims to increase the power density and reduce the construction volume of the cathode path by analyzing the humidification and compression in the cathode path. Particular attention is paid to the components responsible for humidification and compression. For optimum operation with high efficiency, good dynamics and a long service life of the fuel cell, the supplied process gas must have a high level of humidity. This can be achieved by various evaporation processes, such as the direct
injection of liquid water.This thesis examines the injection and evaporation of water droplets in an existing component that uses a gyroid structure to guide air for humidification. Using the simulation software ANSYS FLUENT, a simplified model of the evaporation body was developed, and transient numerical flow simulations were performed under various initial and boundary conditions.The results highlight the significant influence of heat transfer within the evaporation body. Additionally, the injected water mass flow and its temperature were found to impact the dew point temperature. An optimal injection angle was identified, ensuring a homogeneous distribution of water droplets across the cross-section of the component.The simulation results reveal clear trends regarding the factors influencing evaporation performance and the role of the injection angle. However, due to the lack of validation quantitative conclusions cannot yet be drawn.