Yvonne Thaller

• Bezugnehmend auf die immer strenger werdenden Abgasnormen müssen effizientere und emissionsärmere Antriebssysteme entwickelt werden. Ein Ansatz hierfür ist die Verwendung von Brennstoffzellen als Hilfsaggregate in Automobilen. Da Experimente mit Brennstoffzellen komplex, teuer und meistens auch gefährlich sind, wird ein Fokus auf die Simulation gelegt. Im Rahmen dieser Arbeit werden dynamische Modelle der Komponenten Reformer und Stack einer Festkörperbrennstoffzelle erstellt. Zu Beginn werden die Grundlagen von Brennstoffzellen und Reformern besprochen. In weiterer Folge wird die Modellierung anhand physikalischer und mathematischer Ansätze und die Validierung dieser Modelle vorgestellt. Dabei werden beim Reformermodell die unterschiedlichen Reformierungsarten Dampfreformierung, partielle Oxidation und autotherme Reformierung sowie die Verwendung von unterschiedlichen Brennstoffen berücksichtigt. Beim Brennstoffzellenstackmodell können die drei Strömungskonfigurationen Gleich-, Gegen- und Wechselstrom simuliert werden. Durch Kalibrierung der Modelle mit Benchmarkmodellen kann die Gültigkeit überprüft werden. Als Ergebnisse dieser kalibrierten Modelle können die Austrittstemperatur und die Austrittsgaszusammensetzung genannt werden. Mithilfe dieser wird die zukünftige modellbasierte Entwicklung von Steuerungsalgorithmen ermöglicht.
• Regarding the even increasing economic and environmental requirements in the automotive industry, new clean and efficient drive systems have to be developed. One approach is to use fuel cell systems as an auxiliary power unit to reduce the environmental impact. Because experiments on fuel cells are complex, expensive and partially dangerous, the emphasis is focused on the simulation of fuel cells. The aim of this thesis is the development of dynamic models for the two main components of a solid oxide fuel cell system, i.e. the reformer and the fuel cell stack itself. At the beginning the basics of reformers and fuel cells are introduced. Furthermore, the modeling based on mathematical and physical approaches and their validation is explained in detail. The reformer model implements three reforming processes: steam reforming, catalytic partial oxidation and the autothermic reforming. It includes the reforming of different fuels like ethanol, methane and methanol. The fuel cell stack model implements the flow configurations referred to co-, counter- and crossflow. By calibrating the models with comparison to other models, their validity has been proved. As a result, the outlet temperature of the reformer and the stack is mentioned. Moreover, the outlet gas composition and the process variables of both components are obtained. Based on these results the model based calibration of control algorithms can be realized.