Automatische Kalibrierung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren in AVL FIRE™ M

Die Polarisationskurve stellt die Beziehung zwischen Zellspannung und Stromdichte dar. Eine genaue Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Modells und der experimentellen Polarisationskurve ist für zuverlässige Simulationen unerlässlich. Die Kalibrierung stellt sicher, dass das Modell das reale Verhalten der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs erfasst und verschiedene Verluste und Phänomene berücksichtigt. Im Gegensatz zu vereinfachten analytischen Modellen arbeiten CFD-Modelle mit realen Geometrien. Vereinfachungen, die die Polarisationskurve nicht wesentlich verändern, sind schwer zu erreichen. Daher muss die Kalibrierung direkt an der tatsächlichen Geometrie vorgenommen werden, um die komplizierten Details zu berücksichtigen. Selbst ein einzelliges Modell erfordert eine mittlere bis große Maschenweite, um Strömungsmuster, Stofftransport und elektrochemische Reaktionen genau zu erfassen. Folglich kann die Berechnung eines einzigen Punktes auf der Polarisationskurve aufgrund der Komplexität der Berechnungen mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Die Verwendung eines Optimierers auf dem Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurmodell ist aufgrund der langen Berechnungszeiten unpraktisch. Herkömmliche Optimierungstechniken würden die Simulationsdauer erheblich verlängern. Ein alternativer Ansatz besteht darin, die Parameter während des Simulationslaufs selbst zu kalibrieren. Im Verlauf der Simulation passt das Modell seine Parameter an die experimentelle Polarisationskurve an. Durch diese dynamische Kalibrierung wird der Bedarf an separaten Optimierungsschritten minimiert.

Um ein Brennstoffzellenmodell zu kalibrieren, müssen wir die typische Polarisationskurve analysieren, siehe Abbildung 1. Die in der Kurve beobachteten Leistungsverluste können auf bestimmte physikalische Phänomene zurückgeführt werden:

• Brennstoffübergang und interne Ströme
• Kinetische (Aktivierungs-)Verluste: Sie hängen mit der Kinetik der elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden zusammen. Sie spiegeln die Energiebarriere wider, die überwunden werden muss, damit die Reaktionspartner (wie Wasserstoff und Sauerstoff) an den elektrochemischen Prozessen teilnehmen können.
• Ohmsche Verluste: Entstehen hauptsächlich durch die Ionenleitfähigkeit im Ionomer und die elektrische Leitfähigkeit in den Gasdiffusionsschichten.
• Verluste durch Massentransport: Entstehen durch Einschränkungen bei der Diffusion der Reaktanten und der Entfernung der Produkte.

Im Modellkalibrierungs-Setup von FIRE M können die Benutzer flexibel die spezifischen Parameter auswählen, die sie kalibrieren möchten (siehe Abbildung 2). Für jeden Leistungsverlust kann der Benutzer einen entsprechenden Parameter zur Feinabstimmung auswählen.

Diese Bereiche können nicht durch einen einzigen Betriebspunkt angemessen erfasst werden. Stattdessen muss der Benutzer für jeden Parameter einen Betriebspunkt definieren, um die verschiedenen Leistungsmerkmale über die Kurve hinweg zu berücksichtigen. Diese Betriebspunkte werden gleichzeitig kalibriert, wobei Informationen über die verschiedenen Parameter ausgetauscht werden. Da die Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund steht, ist das Verfahren sehr einfach gestaltet. Der Benutzer muss nur auswählen, welche Parameter er kalibrieren möchte, und die gleiche Anzahl von Betriebspunkten definieren. Entscheidend ist, dass alle Arbeitspunkte gleichzeitig berechnet werden.  Die interne Arbeitsweise von FIRE M übernimmt die restlichen Aufgaben. Dazu gehört, dass die richtige Anzahl paralleler Berechnungen gestartet wird, dass verschiedene Betriebspunkte definiert werden, dass die parallelen Berechnungen koordiniert werden, dass die Kommunikation zwischen den verschiedenen Betriebspunkten verwaltet wird und dass eine nahtlose Ausführung sichergestellt wird.  Derzeit erfolgt die Interaktion zwischen den Betriebspunkten über das Dateisystem. Solange die verschiedenen Betriebspunkte Zugriff auf denselben Dateisystembaum haben, können sie ihre Berechnungen unabhängig voneinander durchführen. Dieser Ansatz erlaubt es sogar, verschiedene Betriebspunkte auf separaten Workstations laufen zu lassen, solange sie gleichzeitig ausgeführt werden.

In Abbildung 3 sind die Ergebnisse einer solchen Kalibrierung zu sehen. Für dieses spezifische Beispiel einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle wurden drei Betriebspunkte definiert, die den Parametern Ionenleitfähigkeit, Referenzaustauschstromdichte an der Kathode und Tortuosität durch die Ebene entsprechen. Die Parameter wurden erfolgreich angepasst, um alle drei Betriebspunkte gleichzeitig zu erreichen.

Ein neuartiger Kalibrierungsalgorithmus wurde in FIRE M integriert, speziell für Brennstoffzellen und Elektrolyseurzellen. Dieser innovative Ansatz ermöglicht die Kalibrierung einer kompletten Polarisationskurve durch gleichzeitige Berechnung verschiedener Betriebspunkte. Der Ansatz ist für reale Beispiele mit großen Maschenweiten und begrenzter Berechnungszeit konzipiert, wobei die Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund steht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser Kalibrierungsalgorithmus Genauigkeit, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit kombiniert - eine wertvolle Ergänzung des FIRE M-Toolkits.