IEA AFC Annex 31: Studie "Simulation-Assisted Determination of the Start-Up Time of a Polymer Electrolyte Fuel Cell" (2021)

In der vorliegenden Studie wird ein Zusammenhang zwischen den beobachteten Kohlendioxidemissionen und den während des Starts der Brennstoffzelle auftretenden Schäden durch zeitaufgelöste CFD-Modellierung hergestellt. Der neuartige Aspekt dieser Arbeit liegt in der erstmaligen instationären Modellierung einer Einzelzelle in Originalgröße mit einer relativ hohen Zeitschrittweite von 1 s. Andere Autoren haben dies mit Zeitschritten von einigen Millisekunden oder weniger getan, was zu einer eingeschränkten Anwendbarkeit der Methode aufgrund zu langer Rechenzeiten führte. Der hier diskutierte Ansatz hat zu einem um mehrere Größenordnungen reduzierten Zeitbedarf für die Durchführung solcher Berechnungen geführt. Erreicht wurde dies durch die Verwendung einer sehr hohen Netzqualität, die Annahme einer Nebelströmung und Betriebsbedingungen, unter denen ein solcher Ansatz durchführbar ist, d. h. mäßig befeuchtete Reaktanten und Stromdichte.

Die gemessenen Spannungswerte stimmen mit den Simulationsergebnissen um etwa ±10% überein, wobei - wie zu erwarten - der größte Fehler kurz vor und während des Hochfahrens des Stroms auftritt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Simulation nur begrenzte Möglichkeiten hat, den Gasübergang zu berücksichtigen, was zu einer Überschätzung der Spannung während einer längeren Zeit bei Leerlaufspannung führt. Mit zunehmendem Strom neigt die Simulation dazu, die Brennstoffzellenspannung zu unterschätzen. Bei stabilem Betrieb ist dies weniger ausgeprägt.

Das Modell stützt sich auf einen Wert von 0,5 A cm-2 für den Membranwiderstand. In der Realität wird dieser Wert nicht über einen ganzen Bereich von Stromsollwerten stabil sein, so dass der Fehler höchstwahrscheinlich auf den Eingangsparameter des Membranwiderstands zurückzuführen ist. Die Wasserstoffkonzentrationen am Einlass und am Auslass weisen zu Beginn des Experiments recht große Fehler auf, wenn das Modell dazu neigt, die Wasserstoffkonzentration zu überbewerten.

Dies gleicht sich jedoch innerhalb der ersten 10-15 s aus und stabilisiert sich im Bereich von 0-1% für den Einlass und -4-0% (und damit einer Überschätzung der Konzentration) für den Auslass.
Das Modell hat auch gezeigt, dass es während der Experimente sehr wichtig ist, die chemische Zusammensetzung der Gase am Einlass und am Auslass zu messen, da in diesem speziellen Fall die Ventile, Rohre und die Unversehrtheit der Membran einen stärkeren Einfluss auf das Verhalten - und insbesondere auf die Degradation der Zelle - hatten als die tatsächliche Reaktantenverknappung während des Stromanstiegs.

Das entwickelte numerische Modell wird in zukünftigen Studien zur Untersuchung der Leistung von PEM-Brennstoffzellen verwendet, die mit Standardantriebszyklen betrieben werden, und die Ergebnisse werden mit der lokal gemessenen Stromdichteverteilung verglichen.

IEA AFC Annex 31: Studie "Simulation-Assisted Determination of the Start-Up Time of a Polymer Electrolyte Fuel Cell" (2021)