View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5.2 Einfluss der Stackgeometrie und der Betriebsparameter auf die Medienverteilung 99
führung unterhalb des geforderten Grenzwertes von V ɺ * =5 %. Bei der Z-Strömung liegt die
Zelle mit dem geringsten Volumenstrom am Stapeleintritt. Der Grad der Ungleichverteilung
beträgt V ɺ * =8,1 %. Unter den vorliegenden Betriebsbedingungen ist die maximale Volumenstromdifferenz
im Zellstapel im Fall der Z-förmigen Strömung mehr als doppelt so groß wie
bei der U-Strömung. Aufgrund der gleichmäßigeren Medienverteilung wird für die weiteren
Untersuchungen die U-förmige Strömungsführung im Stapel ausgewählt.
Die folgende Sensitivitätsanalyse untersucht den Einfluss der Variation der Betriebsparameter
und der Stackgeometrie auf die Volumenstromverteilung. Bei allen Untersuchungen entspricht
die Geometrie des Verteilerkanals der des Sammlerkanals. Der Zellstapel wird U-förmig durchströmt.
Analysiert werden die Einflüsse der Änderungen der Zellenanzahl, des Gesamtmassenstroms,
der Strömungsleitfähigkeit, der dynamischen Viskosität, der Manifoldbreite und -höhe,
des Kanalseitenverhältnisses, der Manifoldfläche und des Abstandes zwischen zwei Zellen. Die
Parameter variieren jeweils einzeln um ±
2
3 des Wertes des Referenzstapels (siehe Tabelle
5.2). Die Ergebnisse der Analyse sind graphisch in Bild 5.9 zusammengestellt. Die Berechnung
unter Referenzbedingungen ist durch die gestrichelte Linie in den Diagrammen gekennzeichnet.
In diesem Punkt beträgt der Grad der Ungleichverteilung 3,4 %.
Eine Erhöhung der Zellenanzahl im Stapel behindert ebenso wie ein erhöhter Massenstrom die
Medienverteilung. Die Abhängigkeit des Grades der Ungleichverteilung von dem Massenstrom
kann in dem betrachteten Bereich als linear angesehen werden. Eine Verdoppelung des
Massenstroms führt überschlägig zu einem verdoppelten V ɺ * .
Eine verringerte Strömungsleitfähigkeit bedingt einen erhöhten Druckabfall in den Zellen. Da
der Gesamtmassenstrom konstant bleibt, wird das Verhältnis der Druckverluste in den Zellen zu
denen in den Manifolds zugunsten der Zelldruckverluste verschoben. Dies schlägt sich in einer
gleichmäßigeren Medienverteilung nieder. Der Verlauf der Abhängigkeit lässt sich durch eine
Regressionsgerade der Steigung 0,6 beschreiben.
Der Einfluss der dynamischen Viskosität auf die Verteilung ist in dem variierten Bereich vernachlässigbar.
Der Verlauf des Grades der Ungleichverteilung verhält sich bei der Änderung der Manifoldbreite
und -höhe ähnlich. Eine um 66 % des Referenzwertes verringerte Kanalseitenabmessung lässt
die Ungleichmäßigkeit der Medienverteilung auf einen Wert von V ɺ * ≈ 25 % ansteigen.
Bei der Variation des Seitenverhältnisses von Kanalbreite zu Kanalhöhe ist die Manifoldfläche
konstant. Entspricht die Kanalbreite der Kanalhöhe wird der Grad der Ungleichverteilung
minimal. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass das Seitenverhältnis der Kanäle einen
vernachlässigbaren Einfluss auf die Verteilung hat. Dies kommt der Zellenauslegung zugute, da
durch die freie Wahl der Manifoldgeometrie der Bauraum der Bipolarplatten optimal genutzt
werden kann.