Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

KAPITEL 8. MODELLSKALIERUNG AM BEISPIEL EINES 320 CM 2 STACKSlokalen Temperatur entlang der Stackachse und Spannungsverteilung über die einzelnenZellen validiert. Die Temperatur und Spannungsverteilung entlang der Stackachse ist dabeiinsofern interessant, da es sich um ein neuartiges Kühlkonzept handelt, bei dem nicht wiein Standardausführungen jede elektrochemische Zelle einzeln gekühlt wird. Eine segmentierteMesszelle für ortsaufgelöste Messungen stand in diesem Fall nicht zur Verfügung.Da das eigentliche Modell jedoch in Kapitel 7 am 200 cm 2 Stack ausreichend lokal validiertwurde, wird eine erneute lokale Validierung nicht als notwendig angesehen. Vielmehr sollenhier Möglichkeiten der Modellskalierbarkeit sowie der Anwendung aufgezeigt werden.8.1 Strömungsverteilung im Stack-ManifoldIm folgenden Abschnitt soll die Strömungsverteilung der Gase aus dem Stack-Manifold indie Zellen untersucht werden, um das Ergebnis später als Randbedingung im Stackmodellverwenden zu können. Die 12 Zellen mit einer aktiven Fläche von 320 cm 2 besitzen jeweilseinen Verteiler- und Sammler-Manifold, wobei Anoden- und Kathode-Seite identisch sindund daher nur eine der beiden Seiten betrachtet wurde. In Abbildung 8.5 ist der größereAbstand zwischen den Flowfields zu erkennen, welcher daher rührt, dass sich zwischenjeweils drei Zellen eine Kühlzelle befindet. Für die CFD-Analyse wurden die Reaktanten-Flowfields als poröse Volumina dargestellt, Abbildung 8.5, während die Zulaufkanäle sowiedie Manifold-Geometrie detailliert abgebildet wurden. Auch hier ist Hintergrund dieses Ansatzes,mit möglichst wenigen Rechenelementen ein ausreichend genaues Ergebnis zuerhalten. Durch diese Herangehensweise konnte die gesamte Manifold-Geometrie mit den12 porösen Flowfields mit ≈ 3,4 Mio Finiten-Elementen vernetzt werden.8.1.1 WasserstoffverteilungDie Strömungsverteilung am 200 cm 2 Stack zeigte, dass ein kleiner Gesamt-Massenstromhinsichtlich der Reaktantenverteilung für jede einzelne Zelle kritisch zu betrachten ist, Kapitel7.1.2. Aus diesem Grund wird im Weiteren nur auf diesen Fall des kleinen Gesamt-Massenstroms näher eingegangen und nur kleine Stromdichten und ein kleines stöchiometrischesVerhältnis angenommen.Für die Darstellung der Ergebnisse wurde analog zu Kapitel 7.1 der dimensionslose Verteilungsfaktorin den einzelnen Zufuhrkanälen verwendet (ṁ ideal /ṁ CFD ). Die Ein- und Ausgangs-Manifoldsunterscheiden sich lediglich in der Breite voneinander. Die Ergebnisse der112