Stoff- und Feuchtigkeitsstrommodellierung eines PEM-Brennstoffzellenantriebs

Abstract

Polymer electrolyte membrane fuel cells will gain higher importance in the future. However, their operating principle is known for decades their use will be of increasing interest against the backround of stricter climate requirements. The understanding of the processes inside the fuel cell is a subject to research until the present-day. Firstly, this work gives a deeper explanation of the construction, function and operation of a fuel cell. Secondly, a link between two existing models, one concearning the internal processes, the other the output voltage, of a real fuel cell is introduced, which illustrates the physical processes inside the fuel cell and their effects on the cell's output voltage. Since this voltage is the most important output value of a fuel cell this new model makes it possible to show coherences between internal processes and the externally measured voltage at ease. Subsequently, sets of parameter variations are introduced to demonstrate the theoretical limits of operation for the fuel cell. Eventually, there is an overview of the measured and simulated cell's efficiency introduced.

Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen werden zukünftig an Bedeutung gewinnen. Obwohl ihre Funktionsweise seit Jahrzehnten bekannt ist, wird ihr Einsatz unter anderem vor dem Hintergrund schärferer Klimaziele zunehmend interessanter. Das Verständnis der Vorgänge im Inneren der Zelle ist bis heute Gegenstand der Forschung. Diese Arbeit befasst sich zum Ersten mit einer tieferen Erklärung des Aufbaus, der Funktion und dem Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle. Zum Zweiten wird eine Verbindung zweier bestehender Modelle einer realen Brennstoffzelle vorgestellt, welche die physikalischen Vorgänge im Inneren der Zelle und ihre Auswirkungen auf die Zellspannung, veranschaulicht. Da es sich bei der Zellspannung um die wichtigste Ausgangsgröße einer Brennstoffzelle handelt, können mit dem neuen Modell auf einfache Weise Zusammenhänge von internen Vorgängen und extern gemessener Spannung aufgezeigt werden. Im Anschluss folgt eine Variation von Parametern um die theoretischen Grenzen für den Betrieb dieser Brennstoffzelle zu zeigen. Den Abschluss bildet eine Übersicht der gemessenen und simulierten Wirkungsgrade der Brennstoffzelle.