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6.1 Wärmebilanz eines 5 kW Brennstoffzellenstapels 115
Steigt der aus dem Zellstapel abzuführende Wärmestrom weiter, muss aus oben genanntem
Grund ein von der Kathodenluft separiertes Kühlfluid vorgesehen werden. Bis zu einer elektrischen
Leistung von circa 2 kW wird der Zellstapel über Kühlrippen oder Kühlzellen ausschließlich
mit Umgebungsluft aktiv gekühlt. Nachteilig wirkt sich bei externen Kühlrippen der
aufgrund der geringen Bipolarplattendicke geringe laterale Wärmetransport aus, der in großen
Temperaturgradienten innerhalb der Zelle resultiert. Zur Verringerung dieser Temperaturgradienten
durch lateralen Wärmetransport empfiehlt sich der Einsatz von Kühlzellen, die zwischen
den Zellen angeordnet sind. Luft besitzt im Vergleich zu Wasser eine geringe spezifische
Wärmekapazität. Sowohl beim Einsatz von Kühlzellen als auch bei externen Kühlrippen zeichnet
sich im Allgemeinen die Luftkühlung daher durch verhältnismäßig große Temperaturgradienten
aus. Dies erhöht die Gefahr, dass Strömungskanäle oder Bereiche der Diffusionsschicht
in den Zellen durch auskondensierendes Produktwasser verstopft werden und große
Zellflächen nicht im optimalen Temperaturbereich arbeiten.
Im Leistungsbereich zwischen 2 kW und 10 kW sind sowohl luft- als auch wassergekühlte Zellstapel
denkbar. Hier ist die Kühlungsart abhängig von der Anwendung der Brennstoffzelle.
Oberhalb von 10 kW erfolgt die Wärmeabfuhr über einen Wasserkreislauf. Wassergekühlte Zellstapel
benötigen zusätzlich einen Wärmeübertrager, der die Wärme an die Umgebung abführt.
Um parasitäre Ströme und Elektrolyse in dem Zellstapel zu verhindern, muss deionisiertes
Wasser mit geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Dies erfordert den Einsatz von
Ionenaustauschern im Brennstoffzellensystem.
Die vorliegende Arbeit ist fokussiert auf Brennstoffzellen der 5 kW Leistungsklasse. In diesem
Leistungsbereich können sowohl wasser- also auch luftgekühlte Zellstapel zum Einsatz kommen
[99]. Das folgende Kapitel stellt beide Kühlungsarten für einen 5 kW Zellstapel gegenüber
und bewertet sie. Zuvor wird der Wärmestrom bestimmt, der im Auslegungspunkt dieses Zellstapels
über die Kühlung abzuführen ist. Am Ende des Kapitels entsteht eine Rechenroutine zur
optimierten Auslegung der Kühlkanalstruktur. Anhand eines Fallbeispiels ermittelt diese Routine
die Kühlkanalstruktur sowie das optimale Verhältnis aus Zellen- zu Kühlzellenanzahl bezüglich
der Leistungsverluste und der volumetrischen Leistungsdichte.
6.1 Wärmebilanz eines 5 kW Brennstoffzellenstapels
Beispielhaft wird im Folgenden für einen aus 50 Zellen bestehenden 5 kW Brennstoffzellenstapel
die Wärmebilanz erstellt. Im Auslegungspunkt produzieren die 50 Einzelzellen bei einer
Spannung von jeweils 700 mV eine elektrische Leistung von P
el
=5 kW. Dies entspricht einem
auf den Brennwert bezogenen Wirkungsgrad von 47 %.
I
P
el
= i ⋅ Aaktiv
=
Gl. 6.1
N
Z
⋅U
Z
Der produzierte Strom im Auslegungspunkt berechnet sich nach Gleichung 6.1 zu I =143 A.
Wird dem Zellstapel das in Kapitel 3.1 vorgestellte Mäander-Design mit einer aktiven Fläche