Stationäre Simulation von Luftbefeuchtern für Brennstoffzellensysteme

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines stationären, physikalisch basierten 1+1D-Simulationsmodells, um die thermo- und fluiddynamischen Wechselwirkungen innerhalb eines Hohlfasermembranbefeuchters abzubilden. Das Modell berücksichtigt gekoppelte Transportphänomene wie Sorption, Diffusion sowie Wärme- und Stoffübergänge. Die softwareseitige Umsetzung erfolgte in Python, wobei ein Differentialgleichungssystem mittels eines zeitlichen Relaxationsansatzes gelöst wurde. Für die Parameteridentifikation wurden experimentelle Daten eines Prüfstands des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt herangezogen. Mittels Least-Square-Verfahren konnten unbekannte Parameter, wie der Wärmedurchgangskoeffizient der Membran, der Wärmedurchgangskoeffizient an die Umgebung, das effektive Flächenverhältnis und die Sorptionsenthalpie, identifiziert und optimiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell in der Lage ist, numerisch die Austrittszustände von Temperatur und relativer Feuchte zu bestimmen. Es wurde nachgewiesen, dass die Identifikationsparameter keine Konstanten sind, sondern von den Eintrittszuständen abhängen. Einzelne Effekte konnten physikalisch erklärt werden. Das Modell liefert somit eine Grundlage für weiterführende Optimierungen.