Simulation einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle: Methoden zur Quantifizierung von Simulationsparametern und ihre Anwendung
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INHALTSVERZEICHNIS DIE BRENNSTOFFZELLE ALS FAHRZEUGANTRIEB 1 1.1
FUNKTIONSPRINZIP UND TYPEN VON BRENNSTOFFZELLEN 4 1.2 DIE
PEM-BRENNSTOFFZELLE 6 1.2.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE 6 1.2.2 NT- UND
HT-PEM-BRENNSTOFFZELLEN 8 1.3 ZELLDESIGN III VON VOLKSWAGEN 10 1.4 DIE
ROLLE DER CFD-SIMULATION IN DER BRENNSTOFFZELLENFORSCHUNG . . 11
THERMODYNAMISCHE UND CHEMISCHE GRUNDLAGEN 13 2.1 ZELLREAKTION UND
ELEKTRODENREAKTIONEN 13 2.1.1 MECHANISMUS DER ANODENREAKTION 13 2.1.2
MECHANISMUS DER KATHODENREAKTION 14 2.2 REVERSIBLE ZELLSPANNUNG 15 2.3
ZELLSPANNUNG DER HT-PEM-BRENNSTOFFZELLE 17 2.4 ELEKTRODENKINETIK 17
2.4.1 ELEMENTARE ELEKTRODENREAKTION 18 2.4.2 ABFOLGE IDENTISCHER
DURCHTRITTSSCHRITTE 20 2.4.3 ABFOLGE VERSCHIEDENER DURCHTRITTSSCHRITTE
21 2.5 GASUMSATZ UND STOECHIOMETRIE 21 2.6 WIRKUNGSGRADE 22 2.6.1
EINZELWIRKUNGSGRADE 22 2.6.2 BRENNSTOFFZELLENWIRKUNGSGRAD 23 2.7
POLARISATIONSKURVE EINER BRENNSTOFFZELLE 23 GRUNDLAGEN DER
CFD-SIMULATION UND MODELLGLEICHUNGEN 27 3.1 ALLGEMEINE BILANZGLEICHUNG
27 3.2 GRUNDPRINZIP DER CFD-SIMULATION 28 3.3 BERECHNUNG DES
STROEMUNGSFELDS 29 3.4 RELAXATION 31 3.5 SIMULATIONSMODELL 32 3.5.1
BILANZGROESSEN UND BILANZGLEICHUNGEN 32 3.5.2 ABBILDUNG DER
ELEKTROCHEMISCHEN REAKTION 35 3.6 ANWENDUNG DES SIMULATIONSMODELLS 37
3.6.1 RECHNERGESTUETZTES LOESEN DER MODELLGLEICHUNGEN 37 3.6.
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/993849237 DIGITALISIERT
DURCH INHALTSVERZEICHNIS 3.6.3 ERSTELLUNG EINES GEEIGNETEN GITTERS 38
3.6.4 PARAMETRIERUNG DES MODELLS 38 4 BESTIMMUNG DER FUER DIE SIMULATION
BENOETIGTEN PARAMETER 41 4.1 GASFOERMIGE MEDIEN 41 4.1.1 DICHTE 41 4.1.2
VISKOSITAET 41 4.1.3 WAERMEKAPAZITAET UND ENTHALPIE 42 4.1.4
WAERMELEITFAEHIGKEIT 43 4.1.5 DIFFUSIONSKOEFFIZIENTEN 43 4.2
KONTAKTWIDERSTAENDE 44 4.2.1 ELEKTRISCHE KONTAKTWIDERSTAENDE 44 4.2.2
THERMISCHE KONTAKTWIDERSTAENDE 46 4.2.3 AUFSCHLAGEN VON
KONTAKTWIDERSTAENDEN AUF VOLUMENWIDER- STAENDE 50 4.3
GASDIFFUSIONSELEKTRODE 52 4.3.1 GRUNDLEGENDE ANNAHME 52 4.3.2 POROSITAET
52 4.3.3 MITTLERER PORENRADIUS 54 4.3.4 EFFEKTIVE
DIFFUSIONSKOEFFIZIENTEN 56 4.3.5 PERMEABILITAET 56 4.3.6 EFFEKTIVE
LEITFAEHIGKEITEN 58 4.3.7 ELEKTRISCHE LEITFAEHIGKEIT 59 4.3.8
WAERMELEITFAEHIGKEIT 62 4.4 MEMBRAN 63 4.4.1 POROSITAET 63 4.4.2
PERMEABILITAET 64 4.4.3 DIFFUSION 64 4.4.4 LONENLEITFAEHIGKEIT 64 4.4.5
WAERMELEITFAEHIGKEIT 67 5 BESTIMMUNG DER KINETISCHEN PARAMETER DER
ANODENREAKTION 69 5.1 GRUNDSAETZLICHE VORGEHENSWEISE 69 5.2
ELEKTROCHEMISCHE IMPEDANZSPEKTROSKOPIE 70 5.3 MESSUNGEN ZUR BESTIMMUNG
DER ANODENKINETIK 74 5.3.1 DURCHFUEHRUNG DER MESSUNGEN 74 5.3.2
AUSWERTUNG 74 5.3.3 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG DER ERGEBNISSE 77 6
BESTIMMUNG DER KINETISCHEN PARAMETER DER KATHODENREAKTION 79 6.
INHALTSVERZEICHNIS 6.2.2 BESTIMMUNG DES RUHEPOTENTIALS DURCH MESSUNG 81
6.2.3 EINFUEHREN EINES BEZUGS-RUHEPOTENTIALS 82 6.3 ANPASSUNG DER
BUTLER-VOLMER-GLEICHUNG 84 6.4 MESSUNGEN ZUR BESTIMMUNG DER
KATHODENKINETIK 85 6.4.1 DURCHFUEHRUNG DER MESSUNGEN 85 6.4.2 AUSWERTUNG
86 6.4.3 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG DER ERGEBNISSE 93 6.5 NACHWEIS
DER REPRODUZIERBARKEIT 94 VALIDIERUNG DES PARAMETERSATZES DURCH
SIMULATION VON EINZELEFFEK- TEN 99 7.1 DURCHSTROEMUNG DES GASFLUSSFELDS
100 7.1.1 VERSUCH 100 7.1.2 SIMULATIONSMODELL 100 7.1.3 VALIDIERUNG 101
7.1.4 ERGEBNIS 101 7.2 DURCHSTROEMUNG VON GASFLUSSFELD UND GDL 101 7.2.1
VERSUCH 102 7.2.2 SIMULATIONSMODELL 102 7.2.3 VALIDIERUNG 103 7.2.4
ERGEBNIS 103 7.3 ELEKTRISCHER STROMFLUSS DURCH DIE ZELLKOMPONENTEN 105
7.3.1 VERSUCH 106 7.3.2 SIMULATIONSMODELL 107 7.3.3 VALIDIERUNG 107
7.3.4 ERGEBNIS 107 7.4 WAERMETRANSPORT UND -UEBERGANG 109 7.4.1 VERSUCH
109 7.4.2 SIMULATIONSMODELL 111 7.4.3 VALIDIERUNG 112 7.4.4 ERGEBNIS 112
7.5 REAKTIONSKINETIK 113 7.5.1 THEORETISCHE BERECHNUNG 114 7.5.2
SIMULATIONSMODELL 114 7.5.3 ERGEBNIS 114 ZELLENSIMULATION 119 8.1
MODELLIERUNG 119 8.1.1 REALE GEOMETRIE 119 8.1.2 SIMULATIONSMODELL 121
8.1.3 RECHENGITTER 123 8.1.4 PARAMETRIERUNG 126 8.1. INHALTSVERZEICHNIS
8.1.6 STARTBEDINGUNGEN 129 8.1.7 EINSTELLUNG DER SOLVER 130 8.2
BERECHNUNG 130 8.3 VALIDIERUNG 131 8.3.1 STROMDICHTEVERTEILUNG 131 8.3.2
BRENNSTOFFZELLENKENNLINIE 134 8.4 STOFFTRANSPORTLIMITIERUNG 135 8.5
ERGEBNISSE DER ZELLENSIMULATION 136 8.5.1 VORGAENGE AUF DER KATHODENSEITE
139 8.5.2 VORGAENGE AUF DER ANODENSEITE 139 8.5.3 HOMOGENITAET DER
STROMDICHTEVERTEILUNG 143 8.5.4 THERMODYNAMISCHES RUHEPOTENTIAL,
WIRKUNGSGRAD UND ZELLLEISTUNG 145 8.5.5 VERLUSTANTEILE 145 9
ZUSAMMENFASSUNG 149 10 AUSBLICK 155 A PARAMETERUEBERSICHT 161 B
BENUTZERROUTINE ZUR BERECHNUNG DER MEMBRANLEITFAEHIGKEIT 163 |
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