View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

94 5 Medienverteilung im Zellstapel
benden Unterschiede ist, dass die angesetzten Widerstandsbeiwerte zur Berechnung der Verzweigungsverluste
nach [91] für kreisförmige Rohre ermittelt worden sind. Da die Querschnitte
des Haupt- und Abzweigrohres in [91] identisch waren, sind die Widerstandsbeiwerte ausschließlich
eine Funktion des Verhältnisses aus zu- oder abströmendem zu ankommendem
Volumenstrom. In einem Brennstoffzellenstapel ändert sich dieses Verhältnis über eine große
Zellenanzahl im Stapel nur geringfügig. Um die Druckverläufe in den Manifolds zwischen den
beiden Rechenansätzen aufeinander anzupassen, werden daher die Funktionen der
Verzweigungswiderstandsbeiwerte (siehe Kapitel 13.2, Gleichungen 13.1 bis 13.4) mit einem
konstanten Faktor multipliziert. Bei der U- und Z-förmigen Strömung werden diese Faktoren
jeweils so ermittelt, dass die Übereinstimmung der Druckverläufe in den Manifolds für die
Berechnungsbeispiele mit 50 Zellen am besten ist. Im Fall der U-Strömung ergibt sich ein
Faktor von 0,63, mit dem die Widerstandsbeiwerte für die Durchtrittsverluste im Verteiler und
Sammler ( ζ
V , durch, ζ
S,
durch
) multipliziert werden. Dies verringert die Differenz des Grades der
Ungleichverteilung zwischen beiden Berechnungsansätzen auf maximal 0,8 Prozentpunkte. Für
alle untersuchten Beispiele mit U-förmiger Strömungsführung beträgt die Differenz maximal 3
Prozentpunkte. Die größte Abweichung tritt bei dem Zellstapel mit 100 Zellen auf. Im Fall der Z-
Strömung werden die Widerstandsbeiwerte für die Durchtrittsverluste ( ζ
V , durch, ζ
S,
durch
) mit
einem Faktor von 0,4 und die Widerstandsbeiwerte für die Abzweig- und Sammelverluste
( ζ
V , ab, ζ
S,
zu
) mit einem Faktor von 1,6 multipliziert. Dies führt für alle untersuchten Parameterkombinationen
zu einer maximalen Abweichung des Grades der Ungleichverteilung zwischen
den 1D- und 3D-Rechnungen von einem Prozentpunkt.
Wie bereits in Kapitel 5.1.2 erwähnt, ist das Schema der Bahnlinien einzelner Fluidelemente bei
U- und Z-förmiger Strömungsführung unterschiedlich (vergleiche Bild 5.4 und Bild 13.1). In Verbindung
mit einer teilweise deutlichen Abweichung der Geschwindigkeitsprofile in den Manifoldquerschnitten
von den bei dem 1D-Ansatz verwendeten gemittelten Geschwindigkeiten, ist dies
eine mögliche Erklärung für die unterschiedlichen Korrekturfaktoren zur Berechnung der Widerstandsbeiwerte
beider Strömungsführungen.
Exemplarisch sind in Bild 5.5 die Druckverläufe in den Manifolds für einen aus 50 Zellen
bestehenden, U-förmig durchströmten Zellstapel (Beispiel Nr. 1, Tabelle 13.1) für die 1D- und
die 3D-Rechnung gegenübergestellt. Die Abweichung des Grades der Ungleichverteilung beträgt
0,2 Prozentpunkte.