Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine vielversprechende Alternative für konventionelle Antriebe wie Verbrennungsmotoren in mobilen Anwendungen. Eine Kern-Eigenschaft dieser Brennstoffzellen ist ihre Betriebstemperatur von unter 100°C, die unter anderem für eine – verglichen mit Hochtemperaturbrennstoffzellen – signifikant geringer Aufheizzeit sorgt. Da die Leistung einer einzelnen Brennstoffzelle limitiert ist, werden viele einzelne Zellen zu einem Brennstoffzellen-Stack kombiniert, um die Leistung zu erzeugen, die benötigt wird, um ein Fahrzeug zu bewegen.

Um die Leistungsdichte und Langlebigkeit des Brennstoffzellen-Stacks zu maximieren und gleichzeitig akzeptable Entwicklungs- und Produktionskosten zu erhalten, müssen alle physikalischen Phänomene, die zum Brennstoffzellensystem beitragen, gut verstanden werden, da Fortschritte in der Modellbildung die Verlässlichkeit von Simulationen im Entwicklungsprozess verbessern können.

Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle wird in der Brennstoffzellen-Reaktion Wasser produziert. Dieses kann aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur in flüssiger Form vorliegen und so die Reaktions-Zone sowie die Gasversorgung blockieren. Aus diesem Grund sind der Abtransport des Flüssigwassers und damit das Design der Gasversorgungskanäle ein entscheidender Optimierungsfaktor in der Brennstoffzellentwicklung.

Aktuelle multiphysikalische Modelle der gesamten Brennstoffzelle, welche Elektrochemie, Wärmetransport, elektrische und ionische Ladung, Gasspeziestransport sowie Fluid-Strömung modellieren, sind nicht in der Lage, die Formation und Bewegung des flüssigen Wassers sowie seine Auswirkung auf die Brennstoffzell-Leistung verlässlich abzubilden.

Das Ziel dieses Projektes ist es, die Modellierung des Flüssigwassers in PEM-Brennstoffzellen voranzubringen, indem in der ersten Phase Referenzdaten durch optische In-Situ-Versuche erzeugt werden. In der zweiten Phase des Projektes sollen diese Daten verwendet werden, um basierend auf einem existierenden OpenFOAM-Brennstoffzell-Simulationsframework ein verbessertes Flüssigwassermodell zu entwickeln und zu implementieren, welches den Strömungszustand in der Brennstoffzelle und dessen Einfluss auf die Stack-Leistung zuverlässig vorhersagen kann.