View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

118 6 Kühlung
Die zur aktiven Kühlung des Zellstapels benötigte Leistung wird als Verlustleistung bezeichnet.
Die Verlustleistung setzt sich aus einem Anteil, der durch die Ohmschen Verluste bei der
Leitung des Stroms durch die Kühlzellen bedingt ist, sowie einem Anteil, der durch die Förderung
des Kühlmediums entsteht, zusammen.
= Gl. 6.3
P
Verlust, Kühl.
PVerlust,
Strom
+ PLüfter
/ Pumpe
Die Verlustleistung durch Stromleitung in der Kühlzelle
P
Verlust, Strom
beinhaltet einen Anteil des in
und quer zur Hauptstromrichtung fließenden Stroms. Übergangswiderstände bleiben unberücksichtigt.
= Gl. 6.4
P
Verlust, Strom
PStrom,
parallel
+ PStrom,
quer
Für die Verlustleistung, die durch den in Hauptstromrichtung (z-Richtung) und damit normal zur
Bipolarplattenebene fließenden Strom bedingt wird, gilt
P
Strom,
parallel
mit
A
KK
= N
KK
⎛
=
⎜
⎝
⋅l
( A − A )
KK
aktiv
⋅b
KK
h
KK
KK
⎞
⎟ ⋅
⋅σ
z ⎠
( i ⋅ A )
aktiv
2
Gl. 6.5
Demnach berechnet sich der Widerstand aus dem Verhältnis aus der Kühlkanalhöhe h
KK
zu
dem Produkt aus der stromdurchflossenen Stegfläche und der elektrischen Leitfähigkeit des
Kühlzellenmaterials σ . Unter der Annahme, dass der Strom nicht außerhalb der aktiven
z
Fläche fließt, ergibt sich die für die Stromleitung zur Verfügung stehende Stegfläche aus der
Differenz der aktiven Fläche A
aktiv
und der Fläche der Kühlkanalstruktur A
KK
. Die Fläche der
Kühlkanalstruktur berechnet sich aus dem Produkt aus der Anzahl N
KK
, der Länge l KK
und der
Breite b
KK
der Kühlkanäle.
Alle Betrachtungen in diesem Kapitel setzen eine homogene Stromdichteverteilung über der
aktiven Fläche voraus. Unter dieser Annahme muss der Strom, der direkt über einem Kühlkanal
produziert wird, quer zur Hauptstromrichtung um den Kühlkanal herum fließen, um dann durch
einen Steg der Kühlstruktur zur benachbarten Zelle zu gelangen. Im Mittel beträgt die Distanz,
die dieser Strom in der Bipolarplattenebene fließt, ein Viertel der Kühlkanalbreite.
Für die Verlustleistung durch den quer zur Hauptstromrichtung fließenden Strom gilt
P
Strom,
quer
=
⎛ b
⋅⎜
⎝ 4
⋅
1
⋅ N
⎞
⎟ ⋅
⎠
( i ⋅ A ) 2
KK
2
KK
hBPP,
bulk KK
⋅l
⎟
KK
⋅σ
xy
Gl. 6.6
h
BPP, bulk
bezeichnet die Restwandstärke der Bipolarplatte, die von dem quer fließenden Strom
genutzt werden kann. σ steht für die elektrische Leitfähigkeit in Bipolarplattenebene. Durch
xy
den Vorfaktor 2 in Gleichung 6.6 wird berücksichtigt, dass der Strom ober- und unterhalb der
Kühlzelle quer fließen muss, um über die aktive Fläche der Einzelzellen eine homogene Stromdichteverteilung
zu garantieren.