Dynamic modeling of PEM fuel cells

Abstract

Der Zweck dieser Diplomarbeit war die Modellerstellung eines Niedertemperatur Protonentauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) Stacks. Das Ergebnis ist ein Modell, das diskrete eindimensionale Gaskanäle an Anode und Kathode transient simuliert. In Verbindung mit einem zusätzlichen Rechenkern, erstellt in C-Code, werdenalle restlichen Parameter berechnet. Die Modellstruktur wurde in BoostRT implementiert, einem von der AVL List GmbH bereitgestellten Programm, und als weitereOption steht ein Betrieb in Matlab/Simulink zur Verfügung.Die Kapitel 1,2 und 3 erläutern wie PEMFC funktionieren und wie sie mathematisch beschrieben werden. Prinzipiell findet in einer PEMFC eine Reaktion statt diechemische Energie in elektrische Energie und Hitze umwandelt. Dieser Prozess wird im wesentlichen mit einem System von partiellen Differenzialgleichungen beschrieben und je nach Zellschicht mit Quellen und Senken modifiziert. 3D Modelle sind aufgrund der zahlreichen physikalischen Effekte jedoch nicht im zeitnahen Bereich. Somit wurde eine Reduktion durchgeführt welche in Kapitel 4 und 5 dokumentiert ist. Es entstand ein Modell in BoostRT, bei dem auf vorhandene Simulationsbausteine, genannt Catalyst Core und Catalyst Substrate, zurückgegriffen wurde. In Kombination können diese thermodynamische, chemische und strömungsmechanische Effekte in einer Gasströmung und deren Umgebung abbilden, die durch katalytische Reaktionen beeinflusst werden. Diese Elemente wurden ergänzt um einen PEMFC spezifischenRechenkern. In Kapitel 6 folgt die Modellkalibrierung und Validierung. Die Referenzzelle mit den dazugehörigen Messdaten wurde aus der Arbeit von Fink [1] übernommen. Im erstenTeil werden die Modellkoeffizienten kalibriert. Der zweite Teil beinhaltet die Analyse der Simulationsergebnisse. Obwohl die durchschnittliche Stromdichte in der Zellekorrekt wiedergegeben wurde, stimmte die Verteilung entlang der diskreten Elementedes Kanals nicht. Als entscheidender Effekt wurde der variable Massenstrom in denGaskanälen identifiziert, der durch die Core Elemente als konstant angenommen wird.Trotzdem zeigt die Struktur des Modells die Fähigkeiten einer 1D Modellierung undliefert eine Basis für weitere Verbesserungen. Diese betreffen die Annahme des konstanten Massenstroms im Core und da die Membran die Elektrodynamik der PEMFCbeeinflusst, den Membran spezifischen Teil im Berechnungskern.