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Diplom- und Master-Arbeiten (eigene und betreute):

D. Kuzdas, D. Murschenhofer:
"A real-time capable quasi-2D PEMFC model";
Betreuer/in(nen): S. Braun, S. Jakubek; Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung, 2017; Abschlussprüfung: 12.07.2017.



Kurzfassung deutsch:
Diese Arbeit präsentiert ein dynamisches Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen-modell mit dem Schwerpunkt auf Echtzeitfähigkeit. Verschiedene physikalische Effekte wie zum Beispiel multikomponenten Diffusion in den porösen Gasdiffusionsschichten, Wassertransport durch die Protonenaustauschmembran, getrieben durch Diffusion sowie elektro-osmotische Kräfte und Stickstofftransport durch die Membran werden innerhalb einer quasi-zweidimensionalen Beschreibung berücksichtigt. Um Echtzeitfähigkeit zu erreichen wird eine Linearisierung um die Lösung des vorigen Zeitschritts angewendet, die es ermöglicht die zugrundeliegenden nichtlinearen Gleichungen ohne numerisch aufwendige Newton-Iteration zu lösen. Um die Anzahl der örtlichen Diskretisierungspunkte zu minimieren, wird eine Chebyshev-Kollokationsmethode verwendet, die bereits mit wenigen Rechenpunkten Lösungen hoher Genauigkeit liefert. Zur Validierung des Modells gegen die kommerzielle Simulationssoftware AVL Fire TM werden Polarisierungskurven, die Verteilung der Stromdichte und der Spezienverläufe von stationären Zuständen betrachtet. Die charakteristische Verläufe der Stromdichte für dynamische Änderungen der Einlassfeuchte oder der Zellenspannung stimmen sehr gut mit den Ergebnissen anderer Autoren überein. Aufgrund der Echtzeitfähigkeit des Modells kann es für breit gefächerte Parameterstudien, als virtuelle Brennstoffzelle zur Reglerauslegung oder für die Vorhersage von kritischen Zuständen wie zum Beispiel Treibstoffverarmung
und Membranaustrocknung oder Überflutung verwendet werden.

Kurzfassung englisch:
In this paper a dynamic proton exchange membrane fuel cell model for real-time applications is presented. Following a quasi-2D approach, effects such as multicomponent diffusion in porous layers, membrane water transport driven by diffusion and electro-osmotic drag as well as membrane nitrogen crossover forced by partial pressure differences, are considered. A linearisation of the governing quations with respect to the previous time step is applied to avoid numerically expensive Newton iterations and to speed up the simulation. Furthermore, a solution method based on Chebyshev collocation minimises the required number of nodes and assures real-time capability. The model is validated in terms of polarisation curves, current density and species distribution versus steady-state computational fluid dynamics simulations of a 3D fuel cell performed in AVL Fire TM. The transient behaviour is found to be in good qualitative agreement with results published by other authors. Due to the fast computation capability of the presented model, it is suitable for widespread parameter studies, control unit adjustments or state predictions, e.g. fuel starvation or membrane drying and flooding.

Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universitšt Wien.