Impedanzbasierte, mehrdimensional ortsaufgelöste Prädiktion des Betriebsverhaltens von PEM-Brennstoffzellenstacks

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen ermöglichen eine flexible Versorgung mit regenerativer
Energie in vielfältigen, mobilen Anwendungen. Hierfür werden die einzelnen Brennstoffzellen
zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefasst. Bei der Vorauslegung sind die Leistung
und der Wirkungsgrad des Stacks, sowie die Einhaltung der Betriebsgrenzen auf der gesamten
Zellfläche maßgebend. Sie werden primär von dem verwendeten Aktivmaterial, dem Design des
Stacks und der Betriebsstrategie beeinflusst, welche sich in zahlreichen Überlagerungen und
Wechselwirkungen zwischen elektrochemischen, strömungsmechanischen und thermodynamischen
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Prozessen niederschlagen. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb untersucht, wie sich die
einzelnen physikalischen Vorgänge und ihre Wechselwirkungen im Betrieb von Komponentenbis
Stackebene mit geringem Rechenaufwand prädizieren und vollständig physikalisch analysieren
lassen. Damit wird ein wichtiger Beitrag zur integrierten Vorauslegung von Material, Design
und Betriebsführung geleistet.
In diesem Modell werden der Ladungstransport, der Ladungstransfer und der Gastransport innerhalb
des Aktivmaterials berücksichtigt. Das strömungsmechanische Teilmodell beschreibt die
Ein- oder Zwei-Phasenströmung entlang der Gaskanäle empirisch. Der Wärmetransport und die
Kondensation werden im thermischen Teilmodell erfasst. Die einzelnen physikalischen Prozesse
werden in einer mittleren, homogenisierten Stackebene hinsichtlich ihrer relevanten räumlichen
Ausrichtung abgebildet und die zugehörigen Modellgleichungen iterativ gekoppelt. Das
verwendete Aktivmaterial wird ausführlich experimentell charakterisiert. Der elektrochemische
Modellansatz wird ausschließlich mit Messdaten parametriert und durch Vergleich von Simulationen
mit ortsaufgelösten Messdaten validiert. Das strömungsmechanische Teilmodell wird
ebenso experimentell validiert.
Aus den Simulationsergebnissen folgen Leistung undWirkungsgrad. Darüber hinaus können die
lokale Verteilung der Stromdichte, der Gaszusammensetzung, der Gasbefeuchtung und Temperatur
aller relevanter Komponenten entlang der Strömungsrichtung abhängig von Betriebsbedingungen,
Design und Aktivmaterial bestimmt werden. Der Stackbetrieb wird modellgestützt
analysiert, die lokalen Betriebsbedingungen und physikalischen Prozesse werden interpretiert.
Die Simulationsergebnisse ermöglichen eine Ableitung von Schlussfolgerungen zur integrierten
Materialentwicklung, Stackdesign und Betriebsführung inklusive ihrer wechselseitigen Abhängigkeiten.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are suitable for the flexible supply of renewable
energy in a wide range of mobile or stationary applications. PEMFC systems incluce one
or more PEMFC stacks which are composed of numerous individual fuel cells. The performance
and efficiency of the stack, as well as compliance with the operating limits across the entire cell
surface, are particularly relevant in the preliminary design. Local gradients of operating conditions
develop within the stack, leading to complex interactions between electrochemical, fluid
mechanical and thermodynamic processes. ... mehrThe characteristics and superposition depend on the
active material, the design of the stack and the operational strategy. The aim of this work is to
investigate the individual physical processes and their interactions from component level to stack
level during operation can be predicted and physically analysed using a simulation model. The
results can be a valuable contribution to the joint prediction of material, design and operational
management.
The computational model considers charge transport, charge transfer and the gas transport within
active material. The fluid mechanics model empirically characterizes one- or two-phase flow
along the gas channels. Heat transfer and condensation are considered in a thermal model. All
individual physical processes are modelled in a averaged, homogenized stack plane with regard
to their relevant spatial orientation. The associated model equations are coupled iteratively.
The active material is characterized experimentally in detail. The electrochemical model is parameterised
exclusively with measurement data and validated by spatially resolved measurements.
The fluid mechanical model is validated experimentally.
Performance and efficiency are derived from the simulation results. In addition, local distribution
of current density, gas composition, gas humidification and temperature of all relevant components
along gas flow direction can be determined depending on the operating conditions, design
and active material. The stack operation is analysed using simulation results. Local operating
conditions and processes are physically interpreted. Conclusions on integrated material development,
stack design and operation management including their interdependencies are derived.