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102 5 Medienverteilung im Zellstapel
von 1. Auffällig ist, dass der Grad der Ungleichverteilung im Wesentlichen durch die Fläche des
Sammlerkanals bestimmt wird. Dies bestätigt auch eine theoretische Betrachtung in [83]. Das
Flächenverhältnis wird daher bei konstanter Verteilerkanalfläche variiert. Im großen Diagramm
in Bild 5.10 sind zusätzlich die Abhängigkeiten für unterschiedliche Verteilerkanalflächen aufgetragen.
Bei der U-Strömung wird für gleich große Manifolds die erste Zelle im Stapel am
besten mit Reaktanden versorgt. Verschiebt sich das Verhältnis der Manifoldflächen zugunsten
einer größeren Sammlerkanalfläche liegt am Stapelende der höchste Zellvolumenstrom vor. Der
Punkt des geringsten V ɺ * zeichnet sich dadurch aus, dass der Zellvolumenstrom für die erste
und letzte Zelle des Stapels gleich ist und im Mittelbereich des Stapels der minimale Zellvolumenstrom
auftritt. Dieser Punkt des minimalen Grades der Ungleichverteilung liegt bei den
aufgetragenen Verläufen bei einem Flächenverhältnis von A / ≈ 2. Die Minima der einzel-
S
A V
nen Verläufe in Bild 5.10 lassen sich durch eine potentielle Regressionsfunktion (strichpunktierte
Linie) beschreiben. Es zeigt sich, dass sich der minimale Grad der Ungleichverteilung mit
geringer werdender Manifoldfläche zu einem geringfügig größeren Manifoldflächenverhältnis
verschiebt. Diese Ergebnisse bestätigen den Richtwert, die Fläche des Verteilerkanals halb so
groß wie die des Sammlerkanals auszuführen, um die gleichmäßigste Verteilung zu erhalten
[85, 95]. Am Beispiel des Referenzdesigns zeigt sich, dass ein verändertes Manifoldflächenverhältnis
eine Verringerung des Grades der Ungleichverteilung um bis zu 90 % ermöglicht. Dies
geht allerdings mit einer Vergrößerung der Summe aus Verteiler- und Sammlerkanalfläche um
circa 50 % einher.
30
1500
A
s + A v [ cm2 ]
25
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
A v
[ cm 2 ]
Bild 5.11: Bestimmung der minimalen Manifoldfläche für V ɺ * = 5%
1300
1100
900
700
500
300
Gesamtdruckverlust im Zellstapel [Pa]
Eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Bipolarplatte unterteilt sich in eine elektrochemisch
aktive Fläche, eine Dichtfläche und eine Querschnittfläche der Manifolds. Ein optimiertes Leistungsvolumen
erfordert eine minimierte Dicht- und Manifoldfläche. Für einen geforderten maximalen
Grad der Ungleichverteilung von V ɺ * =5 % wird in Bild 5.11 die minimale Manifoldfläche