Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3480 Der Einsatz von Brennstoffzellen mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC) in
Kraftfahrzeugen wird weltweit erforscht und in Prototypen demonstriert. Ihre konstruktive
Verbesserung erfordert ein tiefes Verständnis der im Inneren ablaufenden
physikochemischen Vorgänge. Mathematische Simulationen können zu diesem Verständnis in
erheblichem Maße beitragen. In der vorliegenden Arbeit wird ein mathematisches Modell
vorgestellt, welches die Berechnung der Massen- und Ladungsströme in den
unterschiedlichen Materialschichten einer rechteckigen, planaren PEM-Brennstoffzelle
ermöglicht und die entsprechenden dreidimensionalen Konzentrations- und
Potentialverteilungen liefert. Die Simulationssoftware ermöglicht die stationäre und
isotherme Berechnung von Wasserstoff/Luft-Einzelzellen, denen Brenngas und Oxidans unter
realitätsnahen Bedingungen in Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromführung zugeführt werden
können. Die mathematische Lösungsmethode basiert auf der Methode der finiten
Volumenelemente. Die aus der Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen resultierenden
großen, dünnbesetzten Gleichungssysteme werden mittels eines Mehrgitterverfahrens sehr
effizient gelöst. Der Vergleich berechneter Stromdichte/Spannungskennlinien für eine
Basisfallzelle mit gemessenen Stromdichte/Spannungskennlinien belegt die gute Qualität
der Simulationsergebnisse. Parametervariationen zeigen die Abhängigkeit der
Elektrodenkinetik von der Zelltemperatur und von den Gasdrücken auf der Brenngas- und
Luftseite auf. Weiterhin wird der Einfluß der Druckdifferenz zwischen Brenngas und
Oxidans auf den Wasserhaushalt der Elektrolytmembran untersucht. Abschließend zeigen
Simulationsrechnungen für verschiedene Brennstoffzellenmaterialien und Verhältnisse von
Gaskanal- zu Stegbreite den Einfluß konstruktiver Brennstoffzellenparameter auf die
Leistungsfähigkeit einer PEM-Brennstoffzelle.
Mosig, Jörg
Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC)
160 S., 1997
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