View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5.4 Zusammenfassung 113
verlust in den Einzelzellen ist in beiden Ansätzen als proportional zu dem Volumenstrom angenommen.
Für ausgewählte Brennstoffzellenanwendungen erfolgt ein Vergleich der Berechnungsergebnisse
beider Ansätze jeweils für eine U- und Z-förmige Strömungsführung in dem Zellstapel. Eine
sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse beider Rechenmethoden wird über einen weiten
Bereich der Einflussgrößen erzielt, indem die im 1D-Modell verwendeten Ansätze zur Bestimmung
der Verzweigungswiderstandsbeiwerte mit einem konstanten Faktor multipliziert werden.
Anhand eines definierten Referenzzellstapels wird mittels einer Sensitivitätsanalyse der Einfluss
der Geometriegrößen und Betriebsparameter auf die Medienverteilung untersucht. Ein möglichst
großes Verhältnis aus Zelldruckverlust zu Druckverlust in den Manifolds garantiert eine
gleichmäßige Medienverteilung. Effektiv wird dies durch eine Kombination aus einer geringen
Strömungsleitfähigkeit in den Zellen und großen Manifoldquerschnittsflächen erreicht.
Aus der Untersuchung des Einflusses einer ungleichmäßigen Medienverteilung auf die Leistung
des Stapels wird ein Richtwert für die maximal empfohlene Ungleichverteilung im Auslegungspunkt
abgeleitet. Dieser Wert liegt bei einem maximalen Volumenstromunterschied zwischen
den einzelnen Zellen des Stapels von 5 %. Anhand des Richtwertes wird die Manifoldfläche für
den Referenzzellstapel optimiert. Dabei zeigt sich, dass die Medienverteilung hauptsächlich
durch die Größe der Querschnittsfläche des Sammlerkanals beeinflusst wird. Bei einem Flächenverhältnis
zwischen Sammler- und Verteilerkanal von ungefähr 2 liegt die gleichmäßigste
Verteilung vor.
Eine Verallgemeinerung der Rechenergebnisse wird erreicht, indem der eindimensionale Ansatz
in eine dimensionslose Form überführt wird. Unter der Voraussetzung gleicher Verteilerund
Sammlerkanalgeometrie werden zur kennzahlenbasierten Bestimmung der Medienverteilung
in einem beliebigen Zellstapel vier dimensionslose Kennzahlen identifiziert. Diese Kennzahlen
sind abhängig von der Zellstapelgeometrie sowie den vorliegenden Betriebsbedingungen.
Über einen weiten Bereich der Kennzahlen werden die Ergebnisse der Berechnungen in
graphischer Form präsentiert. Aus den Diagrammen wird der empfohlene Auslegungsbereich
für beliebige Zellstapel abgeleitet. Ebenfalls wird gezeigt, bei welcher Kennzahlkombination
eine U- oder Z-förmige Strömungsführung in dem Stapel zu bevorzugen ist.
Im letzten Kapitel entsteht eine Formel, die die Bewertung der Medienverteilung in Abhängigkeit
der dimensionslosen Kennzahlen erlaubt. Der Gültigkeitsbereich der angegeben Formel erstreckt
sich über einen weiten für Brennstoffzellenanwendungen relevanten Bereich der Einflussgrößen.