View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6.3 Vergleich der Verlustleistung bei Luft- und Wasserkühlung 121
Die Berechnungen gehen davon aus, dass sowohl bei der Luftkühlung als auch bei der Wasserkühlung
jede der 50 Einzelzellen des Zellstapels gekühlt wird. Zum besseren Vergleich der Ergebnisse
wird angenommen, dass die Materialeigenschaften der Kühlzellen aus expandiertem
Graphit denen der aus Graphit-Composit-Material entsprechen.
Im Fall der Luftkühlung wird bei der Berechnung der durch die Stromleitung durch die Kühlzelle
entstehenden Ohmschen Leistungsverluste nur die Kühlkanal– und Stegfläche berücksichtigt,
die unterhalb der aktiven Fläche liegt. Außerdem werden die in den Gleichungen 6.9 und 6.10
nicht berücksichtigten Ein- und Ausströmverluste der Kühlluft unabhängig von dem Volumenstrom
mit 1 mbar angesetzt.
Bei der Wasserkühlung wird das erhitzte Kühlwasser über Rohrleitungen einem Wärmeübertrager
zugeführt, der die abzuführende Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Diese Umgebungsluft
wird mit Hilfe eines Lüfters durch den Wärmeübertrager gefördert. Die Druckverluste
in den genannten Bauteilen sowie die benötigte elektrische Leistung des Lüfters sind bei der
Betrachtung der Gesamtverlustleistung durch die Kühlung zu berücksichtigen. Vereinfachend
werden beide Einflüsse unabhängig von dem Volumenstrom mit jeweils einem Prozent der
elektrischen Leistung abgeschätzt.
Weitere Vorgaben für die Berechnungen sind in Tabelle 6.2 aufgeführt. Die Stoffwerte sind bei
der mittleren Temperatur des jeweiligen Kühlmediums eingesetzt.
Tabelle 6.2: Vorgaben zur Berechnung der Verlustleistung
Elektrische Leistung pro Zelle (siehe Kapitel 6.1) : 100 [W]
Stromdichte : 0,585 [A/cm²]
Aktive Fläche : 244 [cm²]
Aktiv abzuführender Wärmestrom pro Zelle (siehe Kapitel 6.1) : 110 [W]
Wirkungsgrad Lüfter (Luftkühlung) : 40 [%]
Wirkungsgrad Pumpe (Wasserkühlung) : 30 [%]
Elektrische Leitfähigkeit Bipolarplatte / Kühlzelle
: xy=80; z=40 [S/cm]
Wärmeleitfähigkeit Bipolarplatte / Kühlzelle : 50 [W/(m*K)]
Betriebstemperatur der Zelle : 70 [°C]
Restwandstärke Bipolarplatte : 1 [mm]
Für die drei Auslegungsbeispiele ist in Bild 6.5 die prozentuale Verlustleistung durch die
Kühlzellen gemäß Gleichung 6.12 in Abhängigkeit der zulässigen Kühlmediumerwärmung
dargestellt. Der auf die produzierte elektrische Leistung bezogene prozentuale Leistungsverlust
berechnet sich nach
P
Verlust, Kühl.
Verlust,
Strom
+
Lüfter / Pumpe
P
el
P P
= Gl. 6.12
P
el