Thermodynamische Modellierung der Energieumwandlung in PEM-Brennstoffzellen

Inhaltsangabe:Einleitung:Die Simulation des Betriebsverhaltens von PEM-Brennstoffzellen beruht in der Regel auf den Betrachtungs- und Untersuchungsmethoden der Elektrochemie, einem Teilgebiet der physikalischen Chemie. Eine große Anzahl der zugänglichen Veröffentlichungen zu Fragen der Brennstoffzellentechnologie zeichnet sich zum einen durch einen sehr hohen Abstraktionsgrad und die weitreichende Idealisierung des stattfindenden Prozesses bzw. zum anderen durch eine sehr spezialisierte mikroskopische Betrachtungsweise mit ungenügender Übertragbarkeit auf andere Systeme aus. Mit der Aufgabenstellung für die Studienarbeit war die Erwartung verbunden, den Energieumwandlungsprozess in PEM-Brennstoffzellen mit Hilfe der Bilanzierungsvorschriften und Berechnungsmethoden der Energietechnik unter Anwendung von Grundgesetzen der Thermodynamik nachzubilden und damit eine möglichst transparente Beschreibung der Berechnungsgrundlagen für PEM-Brennstoffzellen zu erhalten. Nach einigen einführenden Erläuterungen zu der bei den Untersuchungen zugrunde gelegten Referenzanlage wird im 2. und 3. Kapitel die Stoffmengenbilanz und Umsatzberechnung sowie die Energiebilanz nach dem Ersten und Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik für den PEM-Brennstoffzellenstack entwickelt. Mit der anschließenden Ermittlung des Einflusses variabler Prozessparameter auf die freiwerdende Reaktionsarbeit bei reversiblem Reaktionsgeschehen in Kapitel 4 und mit der Abschätzung der irreversiblen Verluste des realen Brennstoffzellenprozesses in Kapitel 5 wird die Ermittlung energetischer Bewertungs- und Vergleichskennziffern für den PEM-Brennstoffzellenstack im 6. Kapitel ermöglicht. Um den Einfluss einer Betrachtung der Modellstoffe ideales Gas bzw. inkompressible Flüssigkeit auf die Simulationsergebnisse zu ermitteln, wurden im Rahmen der durchgeführten Berechnungen verschiedene Näherungsgleichungen für das Zustandsverhalten realer Fluide verwendet, die im Anhang der Arbeit zusammenfassend erläutert werden. Die Festlegung der Definitionsbereiche für die grafische Darstellung der Berechnungsergebnisse, durch welche in einige Fällen die Entwicklung zusammengesetzter Funktionen mit der Abbildung in mehreren Diagrammen erforderlich wurde, erfolgte unter Berücksichtigung der Betriebsparameter von ausgeführten PEM-Brennstoffzellenanlagen. Mit der Erweiterung einzelner Variablenbereiche über die derzeit technisch realisierbaren Werte hinaus sollen die mit weiteren Entwicklungsfortschritten im [...]