Kurzfassung Ziel der vorliegenden Arbeit ist die numerische Behandlung eines von Dr. Larisa Karpenko-Jereb erstellten Modells für Transportvorgänge in einer Brennstoffzellenmembran [2], welches für den Einbau in das Brennstoffzellenmodul der CFD-Simulationssoftware AVL FIRE® vorgesehen ist. Es beschreibt den diffusiven, elektroosmotischen und konvektiven Fluss, sowie die Leitfähigkeit und die Überspannung in der Membran. Im Vergleich zum bisher verwendeten Modell von Berg et al. [1] werden die Abhängigkeiten des elektroosmotischen Flusses von der Wasserkonzentration und der Temperatur, sowie die Temperaturabhängigkeit der Wassersorptionsisotherme berücksichtigt und darüber hinaus ein kritischer Wert der Wasserkonzentration eingeführt, unter dem die Membran nicht leitfähig ist. Zur Lösung der gegebenen Gleichungen werden zum einen das Newton-Verfahren und zum anderen Verfahren zur numerischen Integration angewandt, wobei letztendlich ein Runge-Kutta-Verfahren gewählt wird. Ein entsprechendes Programm wird in einem FORTRAN-Code implementiert. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit ersten Tests des entwickelten Programms und stellt die erhaltenen Ergebnisse denen des Modells von Berg et al. sowie experimentellen Ergebnissen gegenüber. [1] Berg P., Promislow K., St. Pierre J., Stumper J., Wetton B. Water Management in PEM Fuel Cells. Journal of The Electrochemical Society, 151: A341-A353, 2004. [2] Karpenko-Jereb L., Innerwinkler P., Kelterer A.-M., Fink C., Prenninger P., Tatschl R. Parametric study of membrane transport model for PEMFC. 9th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation, 101-102, 2012.

The aim of this work is the numerical treatment of a model, which describes the transport phenomena in a fuel cell membrane [2]. It was developed by Dr. Larisa Karpenko-Jereb and is destined for the use in the CFD simulation software AVL FIRE®. It describes the diffusive, electroosmotic and convective flux, as well as the conductivity and the overpotential inside the membrane. In comparison to the former model by Berg et al. [1] the model takes into account the dependency of the electroosmotic flux on the water concentration and the temperature as well as the dependency of the water sorption isotherm on the temperature. In addition a critical value for the water concentration, which is the threshold for the membrane conductivity, is introduced. The solution of the given equations is realized by the Newton method and some numerical integration. An appropriate program was implemented in a FORTRAN code. The last part of this work deals with a first validation of the developed program, comparing the new results to the ones of Berg et al. as well as to experimental data. [1] Berg P., Promislow K., St. Pierre J., Stumper J., Wetton B. Water Management in PEM Fuel Cells. Journal of The Electrochemical Society, 151: A341-A353, 2004. [2] Karpenko-Jereb L., Innerwinkler P., Kelterer A.-M., Fink C., Prenninger P., Tatschl R. Parametric study of membrane transport model for PEMFC. 9th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation, 101-102, 2012.