Skip to main content

Echtzeitfähige Brennstoffzellensimulation auf Systemebene

  • Conference paper
  • First Online:
Experten-Forum Powertrain: Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe 2022 (EFPWRT 2022)

Part of the book series: Proceedings ((PROCEE))

Included in the following conference series:

  • 238 Accesses

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung moderner Brennstoffzellensysteme für die mobile Anwendung kommt Systemsimulation für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz, die von der Konzept- und Komponentenauslegung bis zum digitalen Zwilling am virtuellen Prüfstand reichen. Ein effizienter Einsatz von Simulation erfordert skalierbare und konsistente Modelle, sowohl in der Vielfalt der Anwendungsgebiete, als auch in der Breite der Modellierung (Zelle – Stack – System – Fahrzeug). Dieser Beitrag beleuchtet die spezifischen Anforderungen an die Simulationsumgebung und präsentiert anhand ausgewählter Beispiele einen ganzheitlichen Ansatz zur Brennstoffzellensystemsimulation als Wegbereiter für eine durchgängige simulationsgestützte Entwicklungsmethodik.

Zur Modellierung von Brennstoffzellen- und Fahrzeugkomponenten kommt eine multi-physikalische Simulationsumgebung mit skalierbarer Modellierungstiefe von 1D bis 3D zum Einsatz. In detaillierten Komponentenmodellen für Stack und Nebenaggregaten (Luftkompressor, Befeuchter, Strahlpumpe, Wasserabscheider, Rezirkulationspumpe) werden die wesentlichen thermodynamischen und elektrochemischen Prozesse physikalisch beschrieben, um neben der geforderten Genauigkeit auch Extrapolierbarkeit zu gewährleisten. Numerische Robustheit und schnelle Rechenzeiten ermöglichen bedingungslose Echtzeitfähigkeit als Grundvoraussetzung für den erfolgreichen Einsatz an virtuellen Prüfständen.

Eine ausgewählte numerische Fallstudie behandelt die Alterung und Lebensdaueranalyse der Brennstoffzelle. Dafür wird ein System mit zyklischer Anodenspülung modelliert, bei dem der Gasauslass während des Betriebs weitestgehend geschlossen ist. Der Betriebsmodus bedingt lokale Unterversorgung mit Wasserstoff, was zu erhöhten Spannungsgradienten und damit beschleunigter Membran- und Katalysatoralterung führt. Die Fallstudie zeigt den Einfluss von Betriebsstrategien auf den Zielkonflikt zwischen Alterung und Verbrauch. Weiters wird der Einfluss des Alterungszustandes auf die Systemleistung anhand von Polarisationskennlinien und elektrochemischer Impedanzspektroskopie dargestellt.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 89.00
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 119.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

Literatur

  1. Knaus, O., Wurzenberger. J. C.: System Simulation in Automotive Industry. In: Systems Engineering for Automotive Powertrain Development, Powertrain. Springer. (2020) https://doi.org/10.1007/978-3-319-99629-5_34

  2. Zhu, Y., Li, Y.: New theoretical model for convergent nozzle ejector in the proton exchange membrane fuel cell systems. J. Power Sources 191(2), 510–519. (2009) https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.02.014

  3. Pötsch, C., Rasic, D., Tavcar, G., Wurzenberger, J. C.: FCEV performance assessment during transient driving conditions – the impact of water conditioning. In: SIA digital, Powertrain & Energy (2020)

    Google Scholar 

  4. Kulikovsky, A.: Quasi-2D model of a fuel cell. In: Analytical Modeling of Fuel Cells (Second Edition), pp. 109–192, Elsevier. (2019) https://doi.org/10.1016/B978-0-44-464222-6.00011-3

  5. Pötsch, C., Pfister, F., Wurzenberger, J. C., Le Rhun, F.: RDE Testing for the Future. – Digital Transformation and Realtime-Simulation of Real Driving Emissions and Fuel Consumption. In: SIA, Powertrain, Versailles. (2017)

    Google Scholar 

  6. Kravos, A., Ritzberger, D., Tavc̆ar, G, Hametner, C., Jakubek, S., Katras̆nik, T.: Thermodynamically consistent reduced dimensionality electrochemical model for proton exchange membrane fuel cell performance modelling and control. J. Power Sources 454, 227930. (2020) https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.227930

  7. Kregar, A., Tavčar, G., Kravos, A., Katrašnik, T.: Predictive system-level modeling framework for transient operation and cathode platinum degradation of high temperature proton exchange membrane fuel cells. Appl. Energy 263, 114547. (2020) https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114547

  8. Wong, K. H., Kjeang, E.: Mitigation of chemical membrane degradation in fuel cells: Understanding the effect of cell voltage and iron ion redox cycle. ChemSusChem 8, 1072–1082. (2015) https://doi.org/10.1002/cssc.201402957

  9. Theiler, A., Karpenko-Jereb, L.: Modelling of the Mechanical Durability of Constrained Nafion Membrane under Humidity Cycling. Int. J. Hydrogen Energy 40(31), 9773–9782. (2015) https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.05.110

  10. Pötsch, C., Henigman, U., Wurzenberger, J. C.: Modellbasierte Entwicklung von Brennstoffzellensystemen. ATZ Extra 26, 16–19. (2021) https://doi.org/10.1007/s35778-021-0464-5

  11. Abbou, S., Dillet, J., Spernjak, D., Mukundan, R., Borup, R. L., Maranzana, G., Lottin, O.: High Potential Excursions during PEM Fuel Cell Operation with Dead-Ended Anode. J. Electrochem. Soc. 162(10), F1212. (2015) https://doi.org/10.1149/2.0511510jes

  12. Wagner, N.: Electrochemical Impedance Spectroscopy. In: PEM Fuel Cell Diagnostic Tools. CRC Press. (2011) https://doi.org/10.1201/b11100-5

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Christoph Pötsch .

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2023 Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature

About this paper

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this paper

Pötsch, C., Wurzenberger, J.C. (2023). Echtzeitfähige Brennstoffzellensimulation auf Systemebene. In: Heintzel, A. (eds) Experten-Forum Powertrain: Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe 2022. EFPWRT 2022. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-42940-9_1

Download citation

Publish with us

Policies and ethics