PORTFOLIO

Die meisten Ansätze zur realistischen Simulation von Brennstoffzellen bauen auf der 3D-Modellierung der grundlegenden Transportprozesse von Stoffen, Wärme, Ladung und Impuls (Strömung) auf. Damit ist es selbst auf Supercomputersystemen nur bedingt möglich, Zellen und Stacks technischer Relevanz zu modellieren.
Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung und Validierung von numerisch effizienten Modellen für Polymer-Electrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen. Solche Modelle spielen nicht nur bei der Entwicklung von kommerziellen Brennstoffzellensystemen eine wichtige Rolle, sondern finden auch darüber hinaus bei elektrochemischen Prozessen Anwendung.
Der am CCP Center for Computational Physics verfolgte Ansatz benutzt 3D Teilmodelle von Zellausschnitten um sog. effektive Parameter zu bestimmen, welche in reduzierten 2+1D-Modellen ganzer Zellen und Stacks zur Anwendung kommen. Bei der 2+1D-Technik wird der Stofftransport in Anode und Kathode durch zwei 2D Modelle beschrieben, die via 1D-Interaktion gekoppelt sind. Dies erlaubt die effiziente Analyse vollständiger Systeme technischer Relevanz.
Diese Modellierungstechnik wurde am CCP für das „Solid Oxide Fuel Cell“ SOFC-System bereits erfolgreich angewandt. Zur Übertragung dieser Methode auf PEM-Systeme müssen neue Materialmodelle implementiert werden, da die Transportprozesse in PE-Membranen komplexer sind als bei der SOFC. Weiter existieren zusätzliche Wechselwirkungen, z.B. der Zweiphasentransport in den Gasdiffusionzonen.
Die Tauglichkeit des Ansatzes für PEM Brennstoffzellen soll mit Hilfe von Experimenten am Paul Scherrer Institut PSI nachgewiesen und anschliessend für aktuelle Optimierungsprobleme des PSI verwendet werden.

Das Fachhochschulprojekt ist interdisziplinär, anwendungsorientiert und innovativ: Es entwickelt sich aus der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen angewandter Informatik, klassischer Physik, angewandter Mathematik und Entwicklungsengineering. Diesem neuen Grenzbereich der sognenannten Finite Elemente Modellbildung und Simulation kommt im Zuge der kürzer werdenden Produkte-Entwicklungszyklen, eine immer grössere Bedeutung zu. Das Projekt transferiert neue Methoden der Simulationstechnologie zur Nutzung in die Industrie und hilft damit verschiedenen KMUs bei der Sicherstellung von wettbewerbsentscheidenden Produktequalitäten. Das Projekt wird die Durchführung von Master-Thesis Arbeiten im Rahmen von zukünftigen MAS Master of Advanced Study FH-Ausbildungsgängen ermöglichen.

Es wurde ein 2+1D PEM Brennstoffzellenmodell erstellt, welches die dominanten Transportphänomene in Flussfeld und Bipolarplatten mit vier 2D Gebieten abbildet. Die Differentialgleichungen, die den Stoff-, und Ladungstransport in den Gasverteilerstrukturen ("flow-fields") beschreiben, werden dabei mit einer Finite-Elemente-Methode (FEM) in 2D gelöst. Die Transportvorgänge und die elektrochemischen Reaktionen in der Membran-Elektroden-Einheit ("through plane") werden durch ein 1D-Modell beschrieben. Die Differentialgleichungen für die Modellbeschreibung der Membran-Elektroden-Einheit werden im Rahmen eines neu erstellten 1D FEM Pakets zunächst mit einem Computeralgebrasystem in symbolischer Form aufbereitet. Es entsteht ein Gleichungssystem, das automatisiert in die Programmiersprache C übersetzt wird. Es wurde ein schneller Lösungsalgorithmus für dieses Gleichungssystem implementiert, insbesondere wurde die Kopplung der 1D-Gleichungen mit den zwei 2D Problemen für die Gasverteilerstrukturen auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle realisiert.
Zur Modellvalidierung wurden Messungen an einem Zweizeller im Sauerstoffbetrieb bei Variation von Druck und Temperatur durchgeführt und die Messergebnisse mit den Simulationsresultaten verglichen. Weiterhin wurden mit dem 2+1D Modell Simulationen einer Mikro-PEM-Brennstoffzelle des Paul Scherrer Instituts (PSI) durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Unterrichtsmaterialien zur Modellbeschreibung von PEM-Brennstoffzellen erstellt. Die Modellierung und Simulation von PEM-Brennstoffzellen wurde erstmals im Fach "Simulation mechatronischer Systeme" an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften unterrichtet.
Die Vernetzung mit anderen Forschungsgruppen fand im Forschungsverbund "PEMDesign" statt. Details sind dem Webauftritt http://www.pemdesign.de zu entnehmen. Das ICP hat zudem das “5th Symposium on Fuel Cell Modelling and Experimental Validation” organisiert, das im März 2008 in Winterthur stattgefunden hat.

J.O. Schumacher, J. Eller, G. Sartoris, M. Roos, Computationally efficient simulation of polymer electrolyte fuel cells and stacks, Proceedings of the EUROPEAN COMSOL CONFERENCE 2007, Grenoble, France, 22-24 October 2007.
J. Eller, M. Roos, G. Sartoris, J.O. Schumacher, Computationally efficient simulation of polymer electrolyte fuel cells and stacks, 6th International Congress on Industrial and Applied Mathematics, 2007.
Roos, P. Held, „Numerical Modelling of PEM Fuel Cells in 2 1/2 Dimensions”, NM SESES User Manual, Version October 2005 (2005).

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