Analyse und Auslegung von Hohlfaserbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen mit effizienten Ersatzmodellen

In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von Ersatzmodellen für die Auslegung und Analyse von Hohlfasermembranbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen untersucht. Die Basis für die Untersuchung und die Ersatzmodellerstellung bildet ein hochdimensionales CFD-Modell des Hohlfaserbefeuchters, das anhand von Messdaten validiert wird. Ausgehend vom hochdimensionalen Modell werden physik- und datenbasierte Ersatzmodelle sowie eine Kombination von physik- und datenbasierten Modellierungsansätzen in Form eines neuartigen hybriden Modells als Ersatzmodell vorgestellt und untersucht. Als Ersatzmodell wird in dieser Arbeit ein Modell bezeichnet, das innerhalb definierter Grenzen eine ähnliche Genauigkeit wie das Originalmodell besitzt, jedoch wesentlich kürzere Ausführungszeiten aufweist. Die erstellten Ersatzmodelle werden zur Berechnung der Wasserverteilung und -übertragung in Hohlfaserbefeuchtern bei variierenden geometrischen Parametern, Materialeigenschaften und Betriebsbedingungen eingesetzt. Das Ziel der Arbeit ist es, geeignete Ersatzmodelle zu identifizieren und die Berechnungszeiten für Simulationsstudien zu verkürzen. Die untersuchten physikbasierten Ersatzmodelle basieren auf dem NTU-Ansatz für Stoffübertrager. Ergänzend dazu werden U-Nets und Modelle basierend auf der Proper Orthogonal Decomposition in Kombination mit Interpolationsmethoden (PODI) als datenbasierte Modellierungsansätze ausgewählt. Ein U-Net ist eine spezielle Variante eines künstlichen neuronalen Netzes, das typischerweise in der Bildverarbeitung angewandt und in dieser Arbeit für die Feldberechnung adaptiert wird. Die Ersatzmodelle werden als direkter Ersatz für das hochdimensionale Modell und als Prädiktor für Simulationen des CFD-Modells untersucht.

Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass das NTU-Stoffübertragermodell zur Vorhersage der Wasserübertragung bei variierenden Betriebsbedingungen und Materialeigenschaften geeignet ist. Weiterhin wird demonstriert, dass PODI-Ersatzmodelle präzise Vorhersagen der Wasserverteilung im Befeuchter für diese Anwendung erlauben. Im Vergleich beider Ersatzmodelle weist das PODI-Modell eine höhere Genauigkeit auf. Zur Erstellung eines PODI-Modells werden im Gegensatz zum NTU-Modell jedoch Simulationsergebnisse des CFD-Modells benötigt. Beide Ersatzmodelle werden im Rahmen der Arbeit auch zur Bestimmung des Permeationskoeffizienten der Membran aus Messdaten genutzt. Weiterhin eignen sich beide Ersatzmodelle als Prädiktor zur Beschleunigung von CFD-Simulationen. Ein weiteres Ergebnis der Arbeit ist, dass U-Nets für die Berechnung der Wasserverteilung in Hohlfaserbefeuchtern mit variierenden Faserpositionen und -anzahlen die geeignetsten der untersuchten Ersatzmodelle sind. Im Rahmen der Arbeit wird die einhüllende Diskrepanz, eine mathematische Gleichverteilungsmetrik, als geeignete Größe identifiziert, um Faserverteilungen hinsichtlich der Wasserübertragung zu optimieren. Eine Analyse der Entropieproduktionsraten zeigt, dass hinsichtlich einer geringen Diskrepanz optimierte Faserverteilungen eine geringere spezifische Entropieproduktion aufweisen. Die untersuchten hybriden Befeuchtermodelle sind eine Kombination von einem U-Net und einem NTU-Stoffübertragermodell. Mit den hybriden Modellen werden im Vergleich zum NTU-Modell präzisere Vorhersagen der Wasserverteilung bei einer gleichzeitigen Variation von Geometrie- und Betriebsparametern berechnet. 

Insgesamt wird gezeigt, dass mit Ersatzmodellen präzise Vorhersagen von Wasserverteilungen in Hohlfasermembranbefeuchtern gemacht werden können. Dabei sind die Berechnungszeiten aller vorgestellten Ersatzmodelle deutlich geringer als die des CFD-Modells.