Echtzeitfähige Brennstoffzellensimulation auf Systemebene

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.