Large-Scale three dimensional modelling of a direct methanol fuel cell stack

McIntyre, John; Spohr, Eckhard; Stolten, Detlef

doi:10.18154/RWTH-2015-06440

Large-Scale three dimensional modelling of a direct methanol fuel cell stack = Großangelegte dreidimensionale Modellierung eines Direktmethanolbrennstoffzelle-Stack

McIntyre, John

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeJohn Wilkie McIntyre

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2015

ISBN978-3-95806-094-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 289

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Druckausgabe: 2015. - Onlineausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Spohr, Eckhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-064405
DOI: 10.18154/RWTH-2015-06440
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/541258/files/541258.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; direct methanol fuel cell (frei) ; fuel cell simulation (frei) ; fuel cell stack model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Dissertation wird eine Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-Stack-Modell beschrieben, daß die elektrochemische Leistung in Zellen einer Brennstoffzellen-Stack löst, und die Fähigkeit hat, Großskaleneffekte über einen ganzen Stack zu erfassen. Dies wird durch den Einsatz von einem Supercomputer ermöglicht. Stackgrößen von 10 bis 100 Zellen werden typischerweise gelöst, durch das Aufteilen von Zellen in kleinere Elemente. Diese Elemente werden dann über den verfügbaren CPU der Cluster verteilt. Das Modell enthält Gleichungen für thermische Erzeugung, Polarisationsverluste in der Bipolar-Platte und Gasexpansion im Anodenstrom. Eine Reihe von Untersuchungen wurden durchgeführt: Die Erste ist eine parametrische Studie über die Optimierung der Edukteinspeisung in dem Stöchiometrie und Konzentration der Methanolfluß variiert wurde, und diente dazu als eine Validierung des Modells, in dem es gegen paralell gesamelte Testdaten vergliechen wurde. Die zweite Studie befasst sich mit Kraftstoffmangel im Falle eine verringerung der Stoichiometrie über eine Hälfte der Zelle in einem Stack, und die Auswirkungen auf die Nachbarzellen im Stack. Zwei kritischen Effekte sind vorgekommen, und zwar die Glättung der anodische Überpotential aufgrund der hohen Leitfähigkeit in der Bipolarplatte. Der zweite Effekt ist in die Querschnittsprofile der Stom zu sehen, in dem es die unterversogtem Region umgeht, und führt zum Gradient im Stromprofile. Die dritte Studie untersucht die Wirkung von Wassersättigung auf der Kathode, und gibt einen Einblick in den Übergang zwischen unkritischen auf kritische Sättigung in der Kathodengasdiffusionsschicht, und der Einfluss das Grenzstromprofile der Anodenseite. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Leistung, Skalierbarkeit und Konvergenzverhalten des Codes, was die Flexibilität und Geschwindigkeit eines solchen Verfahren, zum groß, ganzheitlichen Brennstoffzellenmodell führt.

In this dissertation a direct methanol fuel cell stack model is described that resolves the electrochemical performance in individual cells, while having the capability to capture large scale effects across an entire stack through the use of a supercomputer. Typically stack sizes of 10 to 100 cells are modelled by dividing up cells into elements that are then distributed amongst the central processing units of the available cluster. The model contains thermal generation, polarisation losses in the bipolar plate, and gas expansion in the anode stream, modelled as a continuum.Using this model a number of studies were undertaken: A parametric study looking at optimising reactant feed in which the methanol stoichiometry and concentration were varied, which also served also as a method of validation for the model against test data collected in parallel. The second study looks at fuel starvation, and what happens when one half of a cell in a stack experiences a reduction in feed stoichiometry and the impact across neighbouring cells in the stack. This highlighted critical effects that lead to smoothing of the anodic over-potential due to high in-plane conductivity of the bipolar plate, and cross-sectional current profiles that indicate bypassing of the under-feed region. The third study looks at the effect of water saturation on the cathode, and provides insight into the transition between non-critical to critical levels of water blockage in cathode gas diffusion layer, also highlighting the role that anode limiting current plays on the current density profile. The final section deals with the performance, scalability and convergence behaviour of the code, demonstrating the inherent flexibility and speed of such a method to create a holistic large-scale fuel cell model.

OpenAccess:
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