Verbundprojekt: ProStrom - Produktions- und strukturoptimiertes Metall-Strömungsfeld für Bipolarplatten: Teilvorhaben: Simulative Topologieoptimierung (Sim Top)
Zeitraum
2020-09-01 – 2024-05-31
Bewilligte Summe
489.035,00 EUR
Ausführende Stelle
Förderkennzeichen
03ETB026C
Leistungsplansystematik
Brennstoffzelle - PEMFC [EA2251]
Verbundvorhaben
Zuwendungsgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK.IIB5)
Projektträger
Forschungszentrum Jülich GmbH (PT-J.ESN5)
Förderprogramm
Energie
Die Phasenfeldmethoden ermöglichen die Vorhersage von Mikrostrukturausbildungen in Materialsystemen unter multiphysikalischem Einfluss. Zur Optimierung von Strömungsstrukturen ist es notwendig, die anwendungs- und fertigungstechnischen Randbedingungen zu identifizieren und zu definieren. Dafür sollen zunächst die geometrischen Randbedingungen, wie z.B. Länge, Breite und Höhe der Strömungsstruktur, Kontaktflächen etc. anhand der anwendungsspezifischen Anforderungen ermittelt werden und in den Optimierungsprozess einfließen. Darüber hinaus sollen die fertigungstechnischen Randbedingungen, wie z.B. Materialauswahl, zulässige Materialdicke, Radien, Länge und Breite der Strömungsstruktur etc. für Streckmetall und für den 3D-Metalldruck erarbeitet werden. Mit den ermittelten Daten über Geometrie, Material- und Prozessführung wird das Phasenfeldmodell zur simulativen Beschreibung der Topologieoptimierung der gasdurchströmten Strukturen konfiguriert. Die vorgesehenen Simulationsstudien zur Topologieoptimierung von Strömungsstrukturen basieren auf der Phasenfeldmethode zur effektiven simulationsgestützten Beschreibung der dynamischen Entwicklung freier Oberflächen. In Validierungsrechnungen wird die O2-Konzentrationsdiffusion in den Strömungsfeldstrukturen und in der Randschicht der Gasdiffusionsschicht an einem Referenzbeispiel simuliert. Hierauf aufbauend erfolgt die Festlegung des Parameterraums für die nachfolgenden Simulationsstudien, bei denen Randbedingungen variiert werden. Es folgen Simulationsstudien der Topologieoptimierung der Strömungsfeldstrukturen für einphasigen Gastransport unter Berücksichtigung der Gasdiffusion. Um in den Simulationen die Kondensation von Wasser an integrierten Kühlfeldern zu modellieren, wird das Phasenfeldmodell zur Beschreibung der Umgebungsbedingungen konfiguriert. Für die Auslegung der Brennstoffzelle werden aus den Simulationsrechnungen geometrie- und fertigungstechnische Daten ausgewertet und geeignet visualisiert.