Modellierung und Simulation von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

Kvesic, Mirko; Lehnert, Werner

doi:999910295527

Modellierung und Simulation von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen = Modeling and simulation of high-temperature polymer electrolyte fuel cells

Kvesic, Mirko (Author)

2012 & 2013

VerantwortlichkeitsangabeMirko Kvesić

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2012

UmfangIX, 156 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-835-8

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 158

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Druckausgabe: 2012. - Onlineausgabe: 2013. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lehnert, Werner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-10-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44868
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/209262/files/4486.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Brennstoffzellen (frei) ; fuel cells (frei) ; simulation (frei) ; modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, welche die chemische Energie der konstant zugeführten Reaktanten auf direktem Wege in Elektrizität umwandeln. Das am häufigsten verwendete Brenngas ist hierbei Wasserstoff, welches entweder in reiner Form durch beispielsweise Elektrolyse oder als wasserstoffreiches Gasgemisch (Reformat) durch Reformierung von etwa Diesel oder Kerosin erzeugt werden kann. Ein Nachteil von Reformat ist jedoch, dass es neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid (CO) enthält, welches zur einer Katalysatorvergiftung in der Brennstoffzelle führt. Da höhere Betriebstemperaturen eine 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 von HT-PEFC-Stacks mit der Absicht, neben einem besseren Verständnis von multiphysikalischen Prozessen im Stackbetrieb eine Analyse und Optimierung von bestehenden Stackdesigns zu erreichen. Die geometrische Modellbildung basiert auf dem Porösen Volumen-Modell, welches die erforderliche Anzahl an Rechenelementen signifikant reduziert. Die elektrochemischen Modelle für Wasserstoff/Luft- und Reformat/Luft-Betrieb, welche unter anderem die CO-Vergiftungseffekte mitberücksichtigen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und in die verwendete Software Ansys/Fluent implementiert. Die dabei durchgeführten Simulationen ergaben die optimale Strömungskonfiguration für den Stackbetrieb hinsichtlich der homogenen Stromdichteverteilung, welche sich positiv auf die Stackalterung auswirkt. So ließen sich homogenste Stromdichten mit der Stackkonfiguration Anode/Kathode im Gegenstrom und Anode/Kühlung im Gleichstrom beobachten. Ebenso wurde der Einfluss von Kühlungsstrategien auf die Stackleistung untersucht. Daraus konnten die lokale Temperaturverteilung als Folge des Kühlkonzepts sowie Temperaturpeaks im Stackinneren vorausgesagt und anhand von experimentellen Messungen bestätigt werden. Weiterhin wurden die Modellskalierbarkeit und damit auch die allgemeine Gültigkeit des entwickelten Modellierungs-Ansatzes nachgewiesen. Demzufolge können der verwendete Modell-Ansatz sowie die gewonnenen Erkenntnisse als hochwertige Unterstützung bei der Weiterentwicklung von HT-PEFC-Stacks angewandt werden, welche insbesondere für die Stromversorgung von elektronischen Hilfsgeräten (APUs) in Lastkraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen vorgesehen sind.

Fuel cells are electrochemical energy converters that convert chemical energy of constantly fed reactants directly into electricity. The most commonly used fuel gas in this respect is hydrogen, which is either produced in pure form by electrolysis, for example, or as a hydrogen-rich gas mixture (reformate gas), produced by reforming diesel or kerosene e.g.. However, a disadvantage of reformate gas is that it contains additional carbon monoxide (CO), which leads to catalyst poisoning in the fuel cell. Since higher operating temperatures also lead to a higher CO tolerance, the use of high-temperature Polymer-Electrolyte-Fuel-Cells (HT-PEFCs) is particulary suitable for reformate operation. The aim of the presented work is the modeling and CFD-simulation of HT-PEFC stacks with the intention of gaining a better understanding of multi-physical processes in the stack operation as well as the optimization and analysis of existing stack designs. The geometric modeling used is based on the Porous Volume Model, which significantly reduces the required number of computing elements. Furthermore, the electrochemical models for hydrogen/air and reformate/air operation, which were taking the CO poisoning effects into account, are developed in this work and implemented in the software ANSYS/Fluent. The resulting simulations indicated the optimal flow configuration for the stack operation in terms of the homogeneous current density distribution, which has a positive effect on the stack aging. Thus, the current densities showed a strong homogeneity regarding the stack configuration anode/cathode in counter-flow and anode/cooling in co-flow. The influence of cooling strategies was examined for the stack performance in a similar way. In the following, the local temperature distribution as well as temperature peaks within the stack could be predicted and validated with experimental measurements. Further on, the model scalability and thus the general validity of the developed modeling approach have been demonstrated. Consequently, the applied modeling approach as well as the obtained conclusions can be used as high-quality support in the development of HT-PEFC-stacks, which are particularly intended for the power supply for auxiliary power units (APUs) in lorries, ships and aircrafts.

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