Thermodynamische Modellierung der Energieumwandlung in PEM-Brennstoffzellen
- Art: Studienarbeit
- Autor: Thomas Pfeifer
- Abgabedatum: Juli 2002
- Umfang: 93 Seiten
- Dateigröße: 5,7 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: Technische Universität Dresden Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-5989-5
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-5989-5 P - ISBN (CD) :978-3-8324-5989-5 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Pfeifer, Thomas Juli 2002: Thermodynamische Modellierung der Energieumwandlung in PEM-Brennstoffzellen, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Polymer-Elektrolyt-Membran, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Ballard, Brennstoffzelle, chemische Thermodynamik
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Studienarbeit von Thomas Pfeifer
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 Bereich der PEM-Technologie erreichbaren Effekte angedeutet werden.
Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen bzw. Berechnungen sind in Form von Diagrammen und Tabellen wiedergegeben. Der verwendete Formelapparat wird ausführlich erläutert und kann in eigene Computer-gestützte Berechnungsverfahren übertragen werden.
Inhaltsverzeichnis:
| Vorwort | i | |
| Inhaltsverzeichnis | iii | |
| Verzeichnis der verwendeten Symbole und Formelzeichen | v | |
| 1. | Einführung und Beschreibung der Referenzanlage | 1 |
| 2. | Stoffmengenbilanz und Umsatzberechnung | 5 |
| 2.1 | Bilanzierungsgrenzen | 6 |
| 2.2 | Kennzeichnung der Stoffumwandlungs- und -transportprozesse | 7 |
| 2.3 | Umsatzberechnung | 9 |
| 3. | Energetische Bilanzierung | 15 |
| 3.1 | Energiestrombilanz nach dem 1. Hauptsatz | 15 |
| 3.2 | Entropiestrombilanz nach dem 2. Hauptsatz | 17 |
| 3.3 | Wärmeauskopplung im Brennstoffzellenstack | 19 |
| 4. | Ermittlung der Einflüsse variabler Prozessparameter | 25 |
| 4.1 | Druck und Temperatur | 25 |
| 4.2 | Brennstoffzusammensetzung | 32 |
| 4.3 | Wasserstoff-Nutzungsgrad und Sauerstoff-Überschuss | 37 |
| 5. | Abschätzung der irreversiblen Verluste | 45 |
| 5.1 | Aktivierungsverluste | 48 |
| 5.2 | Konzentrationsverluste | 52 |
| 5.3 | Ohmsche Verluste | 55 |
| 5.4 | Lastabhängigkeit der Reaktionsarbeit | 57 |
| 6. | Energetische Bewertungskennzahlen | 61 |
| A. | Stoffdatenapproximation | 67 |
| A.1 | Thermische Zustandsgleichung realer Gase | 68 |
| A.2 | Thermische Zustandsgleichung für Wasser-Flüssigkeit | 69 |
| A.3 | Isobare Wärmekapazität | 73 |
| A.4 | Fugazität | 76 |
| A.5 | Aktivität | 79 |
| Literaturverzeichnis | 81 |
dass mit den getroffenen Annahmen der Stoffmengenanteil des Wasserstoffs im Anodenabgas lediglich vom H2 -Stoffmengenanteil im Reformat und dem H2 -Nutzungsgrad abh¨ngig ist, w¨hrend die a a Stoffmengenanteile des Sauerstoffs und des Wassers im Kathodenabgas durch den Druck, die Tem¨ peratur, den O2 -Uberschuss und den H2 -Nutzungsgrad bestimmt werden. Um zun¨chst lediglich a den Einfluss der Reformat- bzw. Luftzufuhr (also des Vorhandenseins der Edukte als Gemischkomponenten) auf die freie molare Reaktionsenthalpie zu ermitteln, wird in den Gln. (4.16) der Wasserstoff-Nutzungsgrad zu Null gesetzt (αH2 = 0) und ein st¨chiometrisches Verh¨ltnis der zuo a gef¨hrten Ausgangsstoffe unterstellt (λO2 = 1), somit wird die reaktionsfreie Durchstr¨mung der u o Brennstoffzelle betrachtet. Die in Gl. (4.15) einzusetzenden Stoffmengenanteile entsprechen damit den Anteilen der einzelnen Komponenten in den zugef¨hrten Stoffgemischen: u xH2 = xH2 , xO2 = 0.21 1 − xH2 O = ps (T ∗ ) , p∗ ps (T ∗ ) p∗ , [...]
• das auf der Anodenseite vorhandene Wasser wird in der Betrachtung des Reaktionsgleichgewichts nicht ber¨cksichtigt; u • die zugef¨hrte Luft ist vollst¨ndig ges¨ttigt, das N2 /O2 -Verh¨ltnis betr¨gt 0,79/0,21; u a a a a • es herrschen identische Dr¨cke und Temperaturen auf der Anoden- bzw. Kathodenseite der u Zellen, • es existieren keine Druck- bzw. Temperaturgradienten. Mit diesen Idealisierungen k¨nnen die in Kapitel 2 entwickelten Berechnungsgleichungen f¨r die o u Stoffmengenanteile des Wasserstoffs, des Sauerstoffs und des Wassers in den abgef¨hrten Stoffu str¨men stark vereinfacht werden. Nach einigen Umformungen zeigt sich mit o xH2 = xO2 = (1 − αH2 ) · xH2 , 1 − αH2 · xH2 λO2 − αH2 1 0.21 1 − und [...]
4.2. Einfl¨sse der Zuf¨hrung von Stoffgemischen und Abh¨ngigkeit der freien molaren Reaku u a tionsenthalpie vom Wasserstoffanteil im Reformat Mit den im vorigen Abschnitt beschriebenen Beziehungen ist die n¨herungsweise Berechnung der a reversiblen Reaktionsarbeit in Abh¨ngigkeit von Druck und Temperatur m¨glich. Bei h¨heren Gea o o nauigkeitsanspr¨chen gelten die dargestellten Abh¨ngigkeiten jedoch nur unter der Annahme, dass u a die Edukte als reine Stoffe vorliegen und eine vollst¨ndige Stoffumwandlung zu Wasser erfolgt. Um a den Einfluss der Zuf¨hrung des Wasserstoffs bzw. des Sauerstoffs als Gemischkomponenten sowie u der unvollst¨ndigen Reaktion im Brennstoffzellenstack (im folgenden Abschnitt) zu untersuchen, a wird auf die Definitionsgleichung des chemischen Potentials µi = ∂G ∂ni [...]
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783832459895
Arbeit zitieren:
Pfeifer, Thomas Juli 2002: Thermodynamische Modellierung der Energieumwandlung in PEM-Brennstoffzellen, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte:
Polymer-Elektrolyt-Membran, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Ballard, Brennstoffzelle, chemische Thermodynamik
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