Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

KAPITEL 2. LITERATURÜBERSICHTDagegen stellt die makroskopische Modellierung die Domäne als ein Kontinuum dar. Durchden höheren Abstrahierungsgrad im Vergleich zu den vorherigen Modellebenen wird imModell nicht mehr zwischen den einzelnen Teilchen unterschieden. Als mathematischeGleichungen zur Beschreibung der physiko-chemischen Prozesse werden Kontinuumsgleichungenverwendet. Dabei kann die Aufgabenstellung eindimensional (1D), zweidimensional(2D) oder dreidimensional (3D) sein. Die Geometriedomäne reicht dabei von derKatalysatorschicht [11, 12] über die Kanal- [13–15] und Zelldomäne [16–19] bis hin zu dengesamten Stacks [20–22]. Die zu untersuchenden Effekte sind vielfältig und beinflussenLadungsverhalten, Stromdichte- und Temperaturverteilungen sowie Festigkeitsanalysen.In der Systemmodellierung wird das gesamte System mit all seinen Baugruppen betrachtet.Für das Brennstoffzellsystem sind dies neben dem Stack alle weiteren Komponenten, diezur Produktion von Strom notwendig sind. Obwohl der Stack das eigentliche Herz des Systemsdarstellt, sind für eine einwandfreie Stromproduktion die Komponenten für die Gaszufuhr,Wärme- und Wassermanagement und Leistungsregelung ebenso bedeutend. In derModellierung werden jedoch die einzelnen Bauteile nicht räumlich aufgelöst; stattdessenwerden Gesamtbilanzierungen verwendet. Jede der Komponenten wird in diesem Zusammenhangals eine Art „Black-Box“ betrachtet. Weiter steht im Fokus der Betrachtung derEinfluss des Bauteils auf das System, durch den sich zum Beispiel die Gesamteffizienz,Verluste sowie optimale Anordnungen berechnen lassen [23–25].In den einzelnen Modellierungsebenen werden unterschiedliche räumliche, aber auch zeitlicheSkalen betrachtet. Mit dem Anstieg der Längenskala nimmt unter anderem der Abstrahierungsgradzu und der Detaillierungsgrad entsprechend ab, Abbildung 2.1. Die Weiterentwicklungder Rechnerkapazitäten öffnet die Möglichkeit, unterschiedliche Modellebenenmiteinander zu koppeln, um ein möglichst breites Spektrum an Effekten im Modell abbildenzu können. Daraus leitet sich der Begriff „Multiskalenmodellierung“ ab, der auch in derBrennstoffzellmodellierung immer mehr an Bedeutung gewinnt [26].Aus den vorgestellten Modellierungsebenen geht hervor, dass sich die dreidimensionaleStackmodellierung mit einer lokalen Zellauflösung von Betriebsvariablen mittels der numerischenStrömungsmechanik im Bereich der Makroskalen-Modellierung eingliedert. Daraufbezogen werden im Folgenden die aus der Literatur relevanten kontinuumsmechanischenZell- und Stackmodelle sowie ihre Vor- und Nachteile vorgestellt.6