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6.5 Berechnung der optimalen Kühlzellenanzahl in einem Zellstapel 129
Die Bestimmung der optimalen Kühlzellenanzahl erfolgt mit der im vorherigen Kapitel vorgestellten
Auslegungsroutine für eine Kühlkanalstruktur mit zwei Kühlkanälen. Der von einer Kühlzelle
abzuführende Wärmestrom erhöht sich entsprechend der Anzahl der pro Kühlzelle gekühlten
Einzelzellen. Die produzierte Wärme fällt auf der Anoden- und Kathodenseite zu gleichen Teilen
an. Die Betriebs- und Nebenbedingungen sind mit denen aus Kapitel 6.3, 6.4 identisch. Die zulässige
Kühlwassererwärmung beträgt 5 K. Die treibende Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser
und Kanalwand soll 3 K betragen. Die Kühlkanaltiefe ist variabel.
Aufgrund der ohnehin schon geringen Verlustleistung durch die Kühlung ist das Kühlen von
mehr als einer Zelle pro Kühlzelle nur sinnvoll, wenn dadurch die volumetrische Leistungsdichte
des Zellstapels erhöht wird. Als weitere Nebenbedingung wird daher eingeführt, dass die
Gesamtlänge des Zellstapels nicht größer sein soll als die Länge des Stapels, bei dem hinter
jeder Zelle eine 1 mm dicke Kühlzelle angeordnet ist (Auslegungsbeispiel 3, Kapitel 6.3). Unter
der Annahme, dass die Dicke der 50 Einzelzellen konstant h
EZ
=4 mm beträgt, ergeben sich die
Unterschiede in der Gesamtlänge des Stapels ausschließlich durch die Summe der Kühlzellendicke.
Diese konservative Berechnung berücksichtigt nicht, dass die anodischen und kathodischen
Bipolarplattenelemente aus einem Bauteil gefertigt werden können, wenn zwischen den
benachbarten Zellen keine Kühlstruktur integriert ist. Bei gleicher Restwandstärke ist diese einzelne
Bipolarplatte dünner.
PVerlust,Kühl. / Pel [%]
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
0,4
prozentuale Verlustleistung
volumetrische Leistungsdichte
1 2 3 4 5 6
Zellen pro Kühlzelle
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
vol. Leistungsdichte [kW/l]
Bild 6.8: Prozentuale Verlustleistung und volumetrische Leistungsdichte als Funktion der pro Kühlzelle
gekühlten Einzelzellen
In Bild 6.8 ist die prozentuale Verlustleistung durch die Kühlung über der Anzahl der pro
Kühlzelle gekühlten Einzelzellen aufgetragen. Die geringste Verlustleistung liegt vor, wenn je
zwei Zellen von einer Kühlzelle gekühlt werden. In den aus 50 Zellen bestehenden 5 kW Brennstoffzellenstapel
sind demnach 25 Kühlzellen integriert. Im Vergleich zu dem Stapel, bei dem
jede Zelle von einer 1mm dicken Kühlzelle gekühlt wird, kann die Verlustleistung um 15 % auf