Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

KAPITEL 4. ELEKTROCHEMISCHE MODELLIERUNG4.4 ModellimplementierungFür die drei-dimensionale CFD-Simulation von Stacks sind sowohl die Transportgleichungals auch die elektrochemischen Modelle notwendig. Die Transportgleichungen werden vonder verwendeten Software Fluent zur Verfügung gestellt und erfordern beim Aufsetzen derSimulation eine korrekte Auswahl sowie die Einstellung der richtigen Parameter. Die elektrochemischenModelle dagegen wurden im Institut IEK-3 entwickelt und mit den Transportgleichungenin Fluent über die User Defined Functions (UDF) gekoppelt. Die UDF sindbenutzerdefinierte Funktionen, im Rahmen dieser der Anwender über die Möglichkeit verfügt,eigene Gleichungen in Fluent zu integrieren.Wie bereits in Kapitel 1 erwähnt, existieren drei Arten von Katalysatormodellen: das Agglomerat-,das Diskretes-Volumen- und das Dünnschichtmodell. Da in dieser Arbeit das Dünnschichtmodellverwendet wird, von dem zwei Varianten existieren, werden an dieser Stelledie damit verbundenen Eigenschaften und Besonderheiten erläutert. Es bestehen zwei Artendes Dünnschichtmodells:In einer Variante des Modells wird der Katalysator als ein Widerstandselement mit einernicht-linearen Strom-Spannungs-Charakteristik (i =f(η act )) modelliert. Für diesen Zweckwird die bereits beschriebene Tafel-Gleichung (4.5) verwendet. Damit wird implizit angenommen,dass die Überspannung in der Katalysatorschicht konstant ist; eine gerechtfertigteAnnahme für den Fall kleiner Katalysatorschicht-Dicken. Jedoch werden im Modell wederder Diffusionskoeffizient von Reaktanten D noch die Protonenleitfähigkeit σ mitberücksichtigt,was sowohl auf eine sehr hohe, beziehungsweise unendlich schnelle Diffusion als auchProtonenleitung implizit schließen lässt.Auf der anderen Seite beschreibt Kulikovsky [147] ein analytisches Dünnschichtmodell fürdie Katalysatorschicht unter der Mitberücksichtigung der Gasdiffusion und Protonenleitung.Das ebenfalls makroskopisch-homogene Modell basiert auf der Tafel-Gleichung, welcheeine Berücksichtigung der genannten Effekte ermöglicht, sofern die Transportparameter fürDiffusion D und Protonenleitung σ bekannt sind.In der vorliegenden Arbeit wurde jedoch der konventionelle Tafel-Ansatz des Dünnschichtmodellsohne die Mitberücksichtigung der Gasdiffusion sowie der Protonenleitung verwendet.Die Gründe hierfür liegen unter anderem in den unzureichend bekannten TransportparameternD und σ. Die analytische Lösung der Tafel-Gleichung ermöglicht es weiterhin,die Katalysatorschicht nicht räumlich darzustellen und sie stattdessen als eine Ebene mitder Dicke 0 zu modellieren, Abbildung 4.2. Ein Vorteil darin besteht beispielsweise in derEinsparung der Rechenelemente aufgrund der Abstrahierung.46