Vath, Andreas (2009)
Dreidimensionale dynamische Modellierung und Berechnung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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