View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Leistungsmodellierung einer PEFC
Die Modellbildung gewinnt im Bereich der Brennstoffzellentechnologie nicht zuletzt aufgrund der
ständig steigenden Rechnerleistung einen immer größer werdenden Einfluss. Rechenmodelle
vertiefen das Verständnis der in den Zellen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen und
helfen bei der Interpretation von Messergebnissen. Sie zeigen Optimierungspotentiale auf und
erlauben, Voraussagen über das Zellverhalten zu treffen. Die Modellierung trägt dadurch entscheidend
zu der verfahrenstechnischen Auslegung von Brennstoffzellen bei und verringert den
experimentellen Messaufwand.
Verschiedene Modelle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle sind aus der Literatur bekannt.
Eindimensionale Rechenansätze beschränken sich auf die Beschreibung der Transportvorgänge
rechtwinklig zur Zellebene und vernachlässigen jegliche Änderungen der Einflussgrößen
entlang der Zellebene. Die ersten Modelle dieser Art sind in [36-38] publiziert worden. Zweidimensionale
Modelle generieren die Verteilung der Parameter in einem Querschnitt der Zelle.
Die untersuchte Schnittebene durch die Membranelektrodeneinheit kann entweder entlang
eines Strömungskanals (along-the-channel) oder quer zu der Strömungsstruktur (across-thechannel)
erfolgen [39-45]. Dreidimensionale Berechnungen liefern die detailliertesten Informationen,
sind aber aufgrund des hohen Rechenaufwands sehr zeitaufwendig. Sie beschränken
sich deshalb meist auf Detailbetrachtungen einer Brennstoffzelle oder eines Zellstapels [46-48].
Dreidimensionale Berechnungen basieren auf einer großen Anzahl von Einflussgrößen und
Parametern, die zum Teil schwierig zu bestimmen sind. Einen umfangreichen Überblick über
die weltweiten Modellierungsaktivitäten im Bereich der PEFC bietet [49].
Ziel der folgenden Überlegungen ist es, ein aus grundlegenden physikalischen Zusammenhängen
abgeleitetes Modell zu entwickeln, das experimentelle Messergebnisse zufrieden
stellend beschreiben kann. Dieses Modell soll anhand einer minimalen Parameteranzahl bei
geringen Rechenzeiten eine Leistungscharakterisierung von Brennstoffzellen in Form von
Spannungs-Stromdichte-Kennlinien erlauben. Dies ermöglicht die Interpretation von Messergebnissen
und hilft, Optimierungspotentiale zu identifizieren. Des Weiteren soll das Modell in
der Lage sein, aus wenigen Experimenten funktionale Abhängigkeiten zu ermitteln, die eine
Voraussage der Leistungscharakteristik unter variierenden Betriebsbedingungen zulassen. Somit
trägt das Modell dazu bei, den experimentellen Messaufwand entscheidend zu verringern.
Die genannten Forderungen erfüllt ein eindimensionales (1D) Modell am besten.
In diesem Kapitel werden ausgewählte, aus der Literatur bekannte 1D-Modellansätze diskutiert.
Zur verbesserten Beschreibung des diffusionskontrollierten Bereiches der Spannungs-Stromdichte-Kennlinien
wird ein um lokale zweidimensionale Effekte erweiterter, quasi eindimensionaler
(Q1D) Ansatz vorgestellt und zwecks Validierung experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt.
Anhand eines definierten Basisfalls zeigt am Ende des Kapitels eine Sensitivitätsanalyse
der aus dem Q1D-Ansatz gewonnenen Parameter Optimierungspotentiale der Zellleistung
auf.