Modeling and simulation of an alkaline fuel cell

Kunz, Felix GND

The alkaline fuel cell (AFC) is a promising energy system in the sense of the energy transition, as it only emits water and has the potential to be very efficient and cost-effective. Its best-known application is probably the use of an AFC to power the spacecraft in NASA's Apollo mission. However, for more conventional applications the AFC needs to be improved in terms of power density, lifetime and manufacturing costs.</br> In this dissertation a two-dimensional (2-D) mathematical model of an AFC has been developed with the software COMSOL Multiphysics® for stationary operation. The model considers the transport of species, mass, momentum, charge and energy. The kinetics of the electrode reactions is modelled on the basis of the Butler-Volmer expression and taking into account the temperature dependences of the exchange current densities and of the transfer coefficients. The transport of ions in the electrolyte is described based on the concentrated electrolyte theory, by adapting the transport properties for use in the Nernst-Planck equation. The model is validated by comparing the predicted polarization curve with measurements and verified by examining the gradients and discussing the physical processes in the cell. The significance of the cathode performance for the behavior of the entire cell is worked out. In order to find optimization potentials and to investigate the sensitivity of the model, specific parameter studies are carried out. It turns out that, under the selected base case conditions (60 °C, 1 atm, H2 on the anode side, and air on the cathode side), the optimal electrolyte concentration with respect to cell performance is in the range of 3 M KOH. In addition, the increases in pressure and temperature are verified as effective strategies to improve the cell performance. The influence of the temperature dependences of the kinetic parameters are investigated individually. It turns out that particularly the temperature dependence of the cathode exchange current density should not be neglected in mathematical models. The investigation of the sensitivity of the model with respect to parameters specific to the catalysts shows that research in the field of catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline media is very promising and could strongly improve cell performance.</br> Consequently, the AFC model developed in this dissertation allows the investigation of the physical processes in the cell and the identification of optimization potentials. This enables the development of AFCs for different applications, thus ensuring the economic success of the AFC and contributing to the success of the energy transition.

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) stellt ein vielversprechendes Energiesystem im Sinne der Energiewende dar, da sie lediglich Wasser emittiert und über das Potential verfügt, sehr effizient und kostengünstig zu sein. Ihr wohl bekanntester Anwendungsfall ist der Einsatz einer AFC zur Stromversorgung des Raumschiffs in der Apollo Mission der NASA. Für konventionellere Anwendungsbereiche jedoch, muss die AFC insbesondere in Bezug auf ihre Leistungsdichte, Lebensdauer und Herstellungskosten verbessert werden.</br> In dieser Dissertation wurde ein zweidimensionales (2-D), mathematisches Modell einer AFC mit der Software COMSOL Multiphysics® für den stationären Betrieb entwickelt. Das Modell berücksichtigt den Transport von Spezies, Masse, Impuls, Ladung und Energie. Die Kinetik der Elektrodenreaktionen ist auf Grundlage der Butler-Volmer Gleichung und unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeiten der Austauschstromdichten und der Übertragungskoeffizienten modelliert. Der Ionentransport im Elektrolyten ist basierend auf der Theorie des konzentrierten Elektrolyten beschrieben, wobei die Transporteigenschaften für die Verwendung in der Nernst-Planck Gleichung angepasst wurden.</br> Das Modell wird durch den Vergleich der prognostizierten Polarisationskurve mit Messungen validiert und durch die Begutachtung der Gradienten und die Diskussion der physikalischen Prozesse in der Zelle verifiziert. Dabei wird die Bedeutung der Kathodenperformance für das Verhalten der Gesamtzelle herausgearbeitet. Um Optimierungspotentiale zu erschließen und die Empfindlichkeit des Modells zu untersuchen, werden gezielt Parameterstudien durchgeführt. Dabei stellt sich heraus, dass für die betrachtete Zelle unter den gewählten Referenzbetriebsbedingungen (60 °C, 1 atm, H2 auf der Anodenseite, und Luft auf der Kathodenseite) die optimale Elektrolytkonzentration bezüglich der Zellperformance im Bereich von 3 M KOH liegt. Darüber hinaus werden die Erhöhung des Drucks und die Steigerung der Temperatur als effektive Strategien zur Verbesserung der Zellperformance verifiziert. Der Einfluss der Temperaturabhängigkeiten der kinetischen Parameter wird individuell untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Kathodenaustauschstromdichte in mathematischen Modellen nicht vernachlässigt werden sollte. Die Untersuchung der Sensitivität des Modells in Bezug auf katalysatorspezifische Parameter zeigt, dass die Forschung auf dem Gebiet der Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in alkalischen Medien sehr vielversprechend ist und die Zellleistung stark verbessern könnte.</br> Folglich ermöglicht das in dieser Dissertation entwickelte AFC-Modell die Untersuchung der physikalischen Prozesse in der Zelle und das Identifizieren von Optimierungspotenzialen. Dies ermöglicht AFCs für verschiedene Anwendungsbereiche zu entwickeln, womit der wirtschaftliche Erfolg der AFC sichergestellt und ein Beitrag zum Erfolg der Energiewende geleistet wird.

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Kunz, F.A.E., 2019. Modeling and simulation of an alkaline fuel cell. https://doi.org/10.17185/duepublico/70291
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