Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

Modellierung und Simulation vonHochtemperatur-Polymerelektrolyt-BrennstoffzellenKurzfassungBrennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, welche die chemische Energie derkonstant zugeführten Reaktanten auf direktem Wege in Elektrizität umwandeln. Das amhäufigsten verwendete Brenngas ist hierbei Wasserstoff, welches entweder in reiner Formdurch beispielsweise Elektrolyse oder als wasserstoffreiches Gasgemisch (Reformat) durchReformierung von etwa Diesel oder Kerosin erzeugt werden kann. Ein Nachteil von Reformatist jedoch, dass es neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid (CO) enthält, welches zureiner Katalysatorvergiftung in der Brennstoffzelle führt. Da höhere Betriebstemperatureneine größere CO-Verträglichkeit aufweisen, bietet sich der Einsatz von Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFCs) an.Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Modellierung und numerische Strömungssimulation vonHT-PEFC-Stacks mit der Absicht, neben einem besseren Verständnis von multiphysikalischenProzessen im Stackbetrieb eine Analyse und Optimierung von bestehenden Stackdesignszu erreichen. Die geometrische Modellbildung basiert auf dem Porösen Volumen-Modell, welches die erforderliche Anzahl an Rechenelementen signifikant reduziert. Dieelektrochemischen Modelle für Wasserstoff / Luft- und Reformat / Luft-Betrieb, welche unteranderem die CO-Vergiftungseffekte mitberücksichtigen, wurden im Rahmen dieser Arbeitentwickelt und in die verwendete Software Ansys / Fluent implementiert. Die dabei durchgeführtenSimulationen ergaben die optimale Strömungskonfiguration für den Stackbetriebhinsichtlich der homogenen Stromdichteverteilung, welche sich positiv auf die Stackalterungauswirkt. So ließen sich homogenste Stromdichten mit der Stackkonfiguration Anode/ Kathode im Gegenstrom und Anode / Kühlung im Gleichstrom beobachten. Ebenso wurdeder Einfluss von Kühlungsstrategien auf die Stackleistung untersucht. Daraus konntendie lokale Temperaturverteilung als Folge des Kühlkonzepts sowie Temperaturpeaks imStackinneren vorausgesagt und anhand von experimentellen Messungen bestätigt werden.Weiterhin wurden die Modellskalierbarkeit und damit auch die allgemeine Gültigkeit desentwickelten Modellierungs-Ansatzes nachgewiesen.Demzufolge können der verwendete Modell-Ansatz sowie die gewonnenen Erkenntnisseals hochwertige Unterstützung bei der Weiterentwicklung von HT-PEFC-Stacks angewandtwerden, welche insbesondere für die Stromversorgung von elektronischen Hilfsgeräten(APUs) in Lastkraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen vorgesehen sind.iii