Wäre es nicht praktisch, ein SOxC-Modell mit wenigen Klicks zum Laufen zu bringen? CRUISE M verfügt nun über ein solches Feature. Es bringt erfahrenen Spezialisten für Simulationsmodellierung Zeitersparnis und ermöglicht Newcomers einen einfachen Einstieg in die SOxC-Simulation ausschließlich auf Basis der Stack-Datenblätter. CRUISE M generiert nicht nur das Modell, sondern bietet auch ein maßgeschneidertes Dashboard zum Online-Monitoring und zur Online-Steuerung. Ein Offline-Ergebnisbericht fasst die wesentlichen Charakteristika des Stack-Modells zusammen. Optional kann zwischen der internen Reformierung von CH4 oder NH3 gewählt und auch die thermische Konditionierung de-/aktiviert werden. In den Settings für erfahrene User lassen sich elektrochemische Details und die räumliche Auflösung des Stack-Modells konfigurieren.
Wäre es nicht zeitsparend, ein SOxC-Stack-Modell mittels Benutzerführung zu konfigurieren? Der SoxC-Generator von CRUISE M macht es möglich. In einer schrittweisen Abfolge können Parameter für die Zellspannung oder die Stoffumwandlung auf Basis der Referenzdaten definiert werden. Dieser Workflow unterstützt den Betrieb des Stapels als Brennstoffzelle oder Elektrolyseur. Im ersten Schritt wird das Modell mit den stationären Daten (d.h. klassische Polarisationskurven) oder den im Laufe der Zeit generierten transienten Daten aufgesetzt. Diese Referenzdaten sollen Informationen über Stromstärke und Spannung, Luft- und Brennstoffversorgung, ein- und austretende Stoffanteile, Drücke etc. enthalten. In einem zweiten Schritt werden die Variationsparameter und ihre Initial- und Bereichswerte gewählt und optional die Einstellungen unserer Optimierungsmethode feinjustiert. Im dritten Schritt klickt der User auf den Optimierungs-Button und trinkt gemütlich einen Kaffee. Nach der Optimierung gibt CRUISE M mit Vergleichsdiagrammen zu den Initial- und Referenzdaten sowie den optimierten Daten wie auch Paritätsdiagrammen einen raschen Überblick über die Näherungsgenauigkeit. Im letzten Schritt wird das Modell generiert und der User erhält ein mit seinen Daten parametriertes Modell, das sofort zur Simulation in CRUISE M genutzt werden kann.
Die detaillierte Modellierung aller elektrochemischer Phänomene wie auch des Transports und der Umwandlung in der MEA (Membran-Elektroden-Einheit) ist ganz wesentlich, da sie für die Gesamtleistung des Stacks von entscheidender Bedeutung sind. CRUISE M stellt sich dieser Herausforderung mit einem neuen elektrochemischem 1D-Modell in seinem Brennstoffzellen-Stack-Modul. Die Verwendung des neuen Modells erlaubt Zugriff auf eine breite Palette an Funktionalitäten.
- Die Gasdiffusionsschicht (GDL) kann in (Unter-)Schichten mit verschiedenen Materialeigenschaften aufgeteilt werden, mit Auswirkungen auf den Transportwiderstand für Gase und Flüssigkeiten, wodurch der Einfluss der mikroporösen Schichten auf die Umwandlungseffizienz der Zelle/des Stacks berücksichtigt werden kann.
- Es gibt ein Modell, das den Kapillartransport von flüssigem Wasser physikalisch abbildet und den lokalen Dampfdruck für den Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig miteinbezieht, wodurch man das Phänomenen Selbstbefeuchtung im Zellinneren analysieren kann.
- An der Schnittstelle zwischen GDL und Kanal gibt es ein eigenes Oberflächenfilm-Modell zum Flüssigkeitstransfer in den Massenstrom des Kanals. Der Transfer berücksichtigt die direkte Verdampfung an der Filmoberfläche wie auch die Bildung flüssiger Tröpfchen, die mit dem Gasstrom weitertransportiert werden. So wird eine detaillierte Bewertung des makroskopischen Transports von Wasser in flüssiger Form möglich.
- Auch kann Eisbildung in den Membranen gewählt werden, um den Einfluss auf den Transportwiderstand in der gasförmigen und der flüssigen Phase zu untersuchen. Dabei handelt es sich um eine wesentliche Eigenschaft in Tauprozessen, wodurch eine Einschätzung verschiedener Kaltstart-/Froststartstrategien erfolgen kann.
- Die Diffusion wird eindimensional in einem Mehrstoffmodell simuliert, was eine präzise Vorhersage aller Transportphänomene erlaubt, die die Stack-Dynamik bei verschiedenen Frequenzen beeinflussen.
Jede einzelne Funktionalität kann optional gewählt werden. So können alle Features schrittweise aktiviert werden oder nur jene ausgewählt werden, die zum analysierten Anwendungsfall passen.
Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEM) lässt sich nun der Froststart bei Minusgraden berechnen. Eisbildung und damit verbundene Phänomene des Phasenwechsels in den porösen Medien können so in allen Details vollständig räumlicher und zeitlicher Auflösung analysiert werden. In der aktuellen FIRE M-Version kann Wasser in einer PEM-Brennstoffzelle in fünf verschiedenen Zuständen vorkommen: gasförmig, flüssig, verdampft/kondensiert, gefroren und sublimiert/resublimiert. Modelle für den Phasenwechsel sind für die fünf Zustände von Wasser verfügbar. Um den Phasenwechsel in den porösen Medien ganz präzise zu beschreiben, berücksichtigt die Software auch der Unterkühlungseffekt nach Gibbs-Thomson, um die Auswirkungen der Benetzung mit Feuchtigkeit und der Porengröße auf den Schmelzpunkt zu simulieren.
