Modellierung und Simulation von Hochtemperatur ... - JuSER

KAPITEL 7. MODELLIERUNG UND SIMULATION DES 200 CM 2 STACKSDie Modell-Validierung basiert sowohl auf integralen als auch lokalen Messdaten. Die experimentellenMessungen für Validierungszwecke sind im Rahmen der Dissertationsarbeitvon Lüke [155] entstanden.Für die Validierung der lokalen Stromdichte und Temperatur wurde die segmentierte Messzelleder Firma S++ [156] mit 26 × 13 Segmenten verwendet, welche für Messungen zwischender dritten und vierten Zelle im Stack eingebaut wurde. Es ist an dieser Stelle zuerwähnen, dass die aktive Fläche der MEA (186 mm × 110 mm) leicht über den Messbereich(182 mm × 110 mm) hinausragt. Somit bedecken die Messsegmente nur 98 % deraktiven Fläche, welches zu Auswirkungen auf die Messergebnisse führt, wie später in derErgebnisdarstellung gezeigt wird. Weitere Details über den Messvorgang können aus Lükeet al. [157] entnommen werden.Die größte Herausforderung für die CFD-Simulation des gesamten Brennstoffzellen-Stacksbesteht jedoch darin, eine ausreichend gute Auflösung auf unterschiedlichen Skalen beilimitierter Rechenleistung zu erreichen. So ist es einerseits erforderlich, die Strömungsverteilungin den Stack-Manifolds ausreichend genau zu beschrieben, während auf deranderen Seite die Stromdichte- und Temperaturverteilung in jeder Zelle mit möglichst hoherAuflösung und Genauigkeit berechnet werden muss. Gleichzeitig ist die Wärme- undStromproduktion sehr stark von der Reaktantenverteilung abhängig. Somit ist es in der Regelaufgrund von Leistungslimitierungen der Rechner nicht möglich, eine CFD-Modellierungmit denselben Detaillierungsgraden wie im Falle von einzelnen Kanälen oder Zellen für dengesamten Stack durchzuführen. So entstehen die elektrochemischen Reaktionen auf einerSkala von mehreren nm bis μm, während die Strömung in den Manifolds auf einer cm Skalastattfindet. Aufgrund dessen basiert die Modellierungsstrategie auf drei wichtigen Merkmalen:• Stack-Manifold• Reaktanten- und Kühlzellen• MEAStack-ManifoldZur Berechnung der Strömung in den Stack-Manifolds wird die Navier-Stokes-basierte CFD-Simulation angewandt. Hierbei werden alle Details der Manifold-Geometrien mitberücksichtigt,um ein möglichst genaues Strömungsbild zu erhalten, Abbildung 7.2-a. In den Zellenspielt lediglich der Druckverlust eine wichtige Rolle, wodurch ermöglicht wird, die Zellen als78