TU Darmstadt / ULB / tuprints

Dreidimensionale dynamische Modellierung und Berechnung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen

Vath, Andreas :
Dreidimensionale dynamische Modellierung und Berechnung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen.
TU Darmstadt, Fachgebiet Regenerative Energien
[Ph.D. Thesis], (2009)

[img]
Preview
PDF
Dissertation_Andreas_Vath_BZ_2009_05_07.pdf
Available under Simple publication rights for ULB.

Download (5Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dreidimensionale dynamische Modellierung und Berechnung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit berichtet über die mehrdimensionale dynamische Modellierung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen. Die aufgebauten Modelle berücksichtigen die verschiedenen Schichten der Brennstoffzelle wie Gasverteiler, Gasdiffusionslage, Katalysatorschicht und Membran mit den jeweiligen physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Kontrolle der Modellaussagen erfolgte anhand ausführlicher Messreihen, die zeitgleich am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung in Ulm durchgeführt wurden. Das entwickelte dreidimensionale Modell bildet die wesentlichen Brennstoffzellenvorgänge in der Realität zeitlich mit einer örtlichen Auflösung vom mm bis mm Bereich sehr gut ab und ermöglicht weiterhin eine detaillierte Analyse kritischer Betriebsbedingungen. Abhängig von den eingesetzten Membrantypen ergeben sich z. B. bei unzureichender Befeuchtung unterschiedliche Stromdichteverteilungen in den Zellen, was zu lokaler Überbeanspruchung und Vorschädigung der Membran führt. Das Modell erlaubt auch die Analyse äußerst kritischer Betriebszustände, z.B. eines kurzfristigen Totalausfalls der Befeuchtung, welche bei einer realen Zelle zu irreparablen Schäden führen könnten. Anhand des Modells lassen sich weiterhin die noch vorhandenen Potentiale der möglichen Leistungsdichte- bzw. Wirkungsgraderhöhung der PEMFC bezüglich der Optimierung von Gasdiffusionsschicht, Membran und Katalysator aufzeigen. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einsatz von PEM-Brennstoffzellensystemen in der Kraftwärmekopplung für den Leistungsbereich von 1-5 kW elektrischer Leistung anhand eindimensionaler Modelle zur Strom- und Wärmeversorgung von Wohngebäuden untersucht. Dabei werden die wesentlichen Komponenten wie Brenngasaufbereitung, Befeuchtung, Gaszufuhr, Brennstoffzellenstack, Wärmespeicher, Pumpen, Zusatzbrenner, Wechselrichter und Zusatzaggregate berücksichtigt. Unter Zugrundelegung verschiedener Lastprofile und jahreszeitlicher Anforderungen zeigt sich, dass es mit BZ-BHKWs möglich ist, den Energiebedarf und die Kohlendioxidemissionen gegenüber der konventionellen Versorgung deutlich zu reduzieren. Mit der derzeitigen Einspeisevergütung für die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen ergeben sich jedoch wesentlich höhere Kosten für die PEMFC-Systeme gegenüber der konventionellen Energieversorgung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis deals with dynamic and multi-dimensional modelling of Polymer-Electrolyte-Membrane-Fuel-Cells (PEMFC). The developed models include all the different layers of the fuel cell e.g. flow field, gas diffusion layer, catalyst layer and membrane with their particular physical, chemical and electrical characteristics. The simulation results have been verified by detailed measurements performed at the research centre for hydrogen and solar energy in Ulm (ZSW Ulm). The developed three dimensional model describes the time- and spatial-dependent charge and mass transport in a fuel cell. Additionally, this model allows the analysis of critical operating conditions. For example, the current density distribution for different membranes is shown during insufficient humidification which results in local overstraining and degradation. The model also allows to analyse extreme critical operating conditions, e.g. short time breakdown of the humidification. Furthermore, the model shows the available potential of improvement opportunities in power density and efficiency of PEMFC due to optimisation of the gas diffusion layer, the catalyst and membrane. In the second part of the work the application of PEMFC systems for combined heat and power units is described by one-dimensional models for an electrical power range between 1 kW and 5 kW. This model contains the necessary components, e.g. gas processing, humidification, gas supply, fuel cell stack, heat storage, pumps, auxiliary burner, power inverter und additional aggregates. As a main result, it is possible to distinctly reduce the energy demand and the carbon dioxide exhaust for different load profiles. Today the costs for fuel cell systems are considerably higher than that of the conventional electrical energy supply.English
Uncontrolled Keywords: Brennstoffzelle, Modellierung, PEMBZ, Blockheizkraftwerk, Systeme, Polymer-Elektrolyt-Membran, Kraft-Wärme-Kopplung, Kohlendioxid, Energie,
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Brennstoffzelle, Modellierung, PEMBZ, Blockheizkraftwerk, Systeme, Polymer-Elektrolyt-Membran, Kraft-Wärme-Kopplung, Kohlendioxid, Energie,German
fuel cell, model, pefc, energy, combined heat and power unit, co2, carbon dioxidEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Elektrische Energieversorgung
Date Deposited: 08 May 2009 11:31
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13383
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hartkopf, Prof. Thomas and Roth, Prof. Christina
Refereed: 15 December 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1338
Export:

Actions (login required)

View Item View Item