View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6.4 Auslegungsroutine für Kühlkanalgeometrien 123
Tabelle 6.3: Aufspaltung der Verlustleistung in die einzelnen Komponenten
∆ T KM
[K]
P
Strom,
quer
[% P el ]
P
Strom,
parallel
[% P el ]
P
Verlust , Strom
[% P el ]
∆ p KK
[mbar]
P
Lüfter,
Pumpe
[% P el ]
P
Verlust,Kühl.
[% P el ]
Beispiel 1 30 0,67 2,14 2,80 0,25+1 1,03 3,83
Beispiel 2 5 0,2 0,73 0,93 19 0,03+1+1 2,96
Beispiel 3 5 0,69 0,45 1,14 168 0,3+1+1 3,44
Zum Vergleich der benötigten Bauvolumina der unterschiedlichen Kühlstrukturen wird das Auslegungsbeispiel
3 mit der Kühlkanalhöhe von 1 mm als Referenz definiert. Die angenommene
Höhe einer Einzelzelle ohne Kühlstruktur beträgt 4 mm. Ohne die Endplatten beträgt die volumetrische
Leistungsdichte des Referenzstapel mit 50 gekühlten Einzelzellen 0,52 kW/l. Unter
Verwendung des Auslegungsbeispiels 2 verringert sich die volumetrische Leistungsdichte um
17 % auf 0,43 kW/l. Bei dem luftgekühlten Stapel mit einer Kühlkanalhöhe von 5 mm halbiert
sich im Vergleich zu der Referenz nahezu die auf das Volumen bezogene Leistungsdichte auf
0,29 kW/l. Trotz der stark verringerten volumetrischen Leistungsdichte des Zellstapels kann die
Baugröße des Gesamtsystems eines luftgekühlten Stapels kleiner sein als die der wassergekühlten
Variante. Dies liegt darin begründet, dass bei der Wasserkühlung zusätzlich ein Wärmeübertrager
vorgesehen werden muss.
Dem Vorteil eines einfacheren und möglicherweise kleineren Systems bei der Luftkühlung steht
die große Temperaturspreizung der Kühlluft gegenüber. Die damit einhergehenden großen
Temperaturgradienten im Bereich von ungefähr 20 - 30 K in den Einzelzellen bedingen ein aufwendiges
Wassermanagement. Nur durch eine optimal aufeinander angepasste Strömungsführung
der Reaktandengase und der Kühlluft kann dem Rechnung getragen werden. Für die
vorliegende Mäander-Flowfieldstruktur ist ein auf Luftkühlung basierendes Kühlkonzept nicht
geeignet. Im Weiteren werden daher ausschließlich wassergekühlte Zellstapel betrachtet.
6.4 Auslegungsroutine für Kühlkanalgeometrien
Den Einfluss von Kühlkanal- und Stegbreite auf die einzelnen Leistungsverlustterme zeigt Bild
6.6 am Beispiel des dritten Auslegungsentwurfs des vorherigen Kapitels. Die Kanalbreite wird
so variiert, dass die Summe aus Kanal- und Stegfläche konstant ist. Die Erwärmung des Kühlmediums
beträgt konstant 5 K. Die Pumpverluste berücksichtigen ausschließlich die Verluste,
die durch den Druckverlust in den Kühlkanälen entstehen.
Bei steigender Kanalbreite sinken die Druckverluste in den Kanälen und somit verringert sich
die Pumpleistung stetig. Die Ohmschen Verluste durch den quer zur Hauptstromrichtung
fließenden Strom steigen dagegen mit größer werdender Kanalbreite, da die Distanz, die dieser
Strom in Bipolarplattenebene fließt, ebenfalls ansteigt. Da die Kühlkanalhöhe konstant ist,
ändert sich die Verlustleistung P
,
nur aufgrund der für die Stromleitung zur Verfügung
Strom parallel