Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

KAPITEL 2. LITERATURÜBERSICHTRowe et al. [30] wiederum erweiterte das Modell von Springer auf nicht-isotherme Betriebsbedingungen.Im Fokus der Untersuchungen standen hierbei sowohl das Wärme- und Wassermanagementder PEFC-Membran sowie die entsprechenden Auswirkungen auf die Zellleistung.Murgia [31] vereinfachte das nichtlineare Modell von Bernardi und Verbrugge [28]und machte es stabiler und schneller für numerische Berechnungen. Die Modell-Validierungerfolgte daraufhin durch Pisani et al. in [32].Nichtstationäre, eindimensionale Modelle hingegen wie das von Wöhr et al. [33] stellten dieModellierung von transienten Betriebsbedingungen in den Mittelpunkt, u.a. betreffend derLastwechsel oder Änderung der Durchflussrate und der damit verbundenen Membranbefeuchtung.Mit der Einführung einer weiteren Dimension in der Modellierung war es dann möglich,komplexere Effekte und ihre Interaktion zu untersuchen. Damit wurde ermöglicht, Untersuchungenentlang des Kanals oder im Kanalquerschnitt zu betrachten und mit den Modellen’durch die Membran’ zu koppeln. Einer der ersten zweidimensionalen Modellierungsansätzeder MEA wurde von Fuller et al. [34] für die Beschreibung des Speziestransports innerhalbder MEA entwickelt. In diesem Zusammenhang wurde der Wärmeaustrag als ein kritischerParameter bezüglich des Betriebs der PEFC erkannt. Aufbauend auf dem Modell von Springeret al. [27] stellten Nguyen et al. [35] das zweidimensionale Modell entlang des Kanalsvor und wendeten es auf verschiedene Befeuchtungsstrategien an. Für den Wasserstoff/Luft-Betrieb müssen hierbei beide Seiten befeuchtet werden, um die Ohm’schen Verlusteso weit wie möglich zu minimieren. Besonders bei hohen Stromdichten (> 1 A /cm 2 ) stellendie Ohm’schen Verluste einen hohen Anteil der Gesamtverluste dar. Ein weiteres zweidimensionalesModell entlang des Kanals ist dasjenige von Dannenberg et al. [36]. Hier wurdedie Kalalysatorschicht mit dem Agglomerat-Ansatz modelliert. Das Modell war in der Lage,parallel mehrere Effekte zu erfassen, wie etwa die Zellleistung, den Ohm’schen Widerstand,das Wasserprofil in der Membran oder die Strom- und Temperaturverteilung entlangdes Kanals. Schließlich wurde das erste vollständige zweidimensionale Modell von Gurauet al. [37] vorgestellt. Die Transportgleichungen für Masse, Impuls, Energie und Spezieswurden auf die gesamte ’Sandwich-Struktur’ der MEA und die dazugehörigen Gaskanäleangewandt. Der Vorteil dabei besteht darin, dass nur Parameter in das Modell eingehen,die auch in der realen Zelle ermittelt werden können. Es müssen somit keine Annahmenüber die Stromdichte- oder Speziesverteilung getroffen werden, wie es bis dahin üblichwar. Wang et al. [38] präsentierten das erste zweidimensionale Modell entlang des Kanalsmit einer Zweiphasenströmung und einem Mehrkomponenten-Gasgemisch basierend8