View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich
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130 6 Kühlung<br />
0,44 P el<br />
verringert werden. Gleichfalls steigt die volumetrische Leistungsdichte des Stapels von<br />
0,52 kW/l auf 0,6 kW/l. Unter den betrachteten Fällen erzielt der Stapel, in dem jede sechste<br />
Zelle gekühlt wird, die größte volumetrische Leistungsdichte. Im Vergleich zu der Referenz ist<br />
die Gesamtlänge dieses Zellstapels um 22 % kürzer, die Verlustleistung allerdings um 40 %<br />
höher.<br />
Die Ergebnisse aus Bild 6.8 verdeutlichen, dass die Wärmeabfuhr auch dann gewährleistet ist,<br />
wenn von einer Kühlzelle mehr als eine Einzelzelle gekühlt wird. Zu beachten ist allerdings,<br />
dass die Temperaturunterschiede zwischen der Membran und der Kühlkanalwand beziehungsweise<br />
zwischen den einzelnen Zellen möglichst gering sind.<br />
Mittels eines vereinfachenden Ansatzes wird die maximale Temperaturdifferenz zwischen der<br />
Kühlkanalwand und der am weitesten von der entsprechenden Kühlzelle entfernten Membran<br />
abgeschätzt. Der Ansatz basiert auf der Annahme einer eindimensionalen, normal zu der<br />
Membranebene gerichteten Wärmeleitung in ebenen Wänden mit Wärmequellen. Der Einfluss<br />
unterschiedlicher Zelltemperaturen auf das Wassermanagement und die Stromproduktion in<br />
den Zellen bleibt unberücksichtigt. Die abzuführende Wärmemenge ist für alle Zellen gleich<br />
groß.<br />
Für die maximale Temperaturdifferenz findet sich folgende Gleichung<br />
∆T<br />
Mem,max−KKW<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
Qɺ<br />
A<br />
2<br />
Qɺ<br />
Kühl.<br />
A<br />
2<br />
Kühl.<br />
aktiv<br />
aktiv<br />
h<br />
⋅<br />
2<br />
⋅ λ<br />
h<br />
⋅<br />
2<br />
⋅ λ<br />
EZ<br />
EZ<br />
eff<br />
eff<br />
⎛<br />
⋅⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⋅⎜<br />
⎝<br />
( N )<br />
EZ / KZ<br />
( N )<br />
4<br />
4<br />
EZ / KZ<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
+ 0,25⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
mit<br />
mit<br />
N<br />
N<br />
EZ / KZ<br />
EZ / KZ<br />
= 1,3,5,..<br />
=<br />
2, 4,6,...<br />
Gl. 6.24<br />
h<br />
EZ<br />
beschreibt die Höhe einer Einzelzelle, die sich aus der Summe der Bipolarplatten-, Diffusionsschicht-<br />
und Membrandicke ergibt. N /<br />
bezeichnet die Anzahl der von einer Kühlzelle<br />
EZ KZ<br />
gekühlten Einzelzellen. Als wärmeübertragende Fläche wird die Hälfte der durch das Flowfield<br />
strukturierten aktiven Fläche angesetzt. Für die effektive Wärmeleitfähigkeit λ<br />
eff<br />
gilt<br />
hEZ<br />
2 ⋅ h 2 ⋅ h<br />
BPP Diff hMem<br />
= + +<br />
Gl. 6.25<br />
λ λ λ λ<br />
eff<br />
BPP<br />
Diff<br />
Mem<br />
In Tabelle 6.5 sind die den Rechnungen zugrunde liegenden Materialstärken und Wärmeleitfähigkeiten<br />
der Zellkomponenten aufgelistet. Für die Wärmeleitfähigkeit der vollständig gesättigten<br />
Membran wird ein gemittelter Wert aus den Wärmeleitfähigkeiten von Wasser und PTFE<br />
angesetzt. Da in der Literatur keine belastbaren Werte für die Wärmeleitfähigkeit der vorliegenden<br />
Diffusions- und Katalysatorschicht vorhanden sind, wird nach [102] ein realistischer Wert<br />
von λ<br />
Diff<br />
=1,3 W/(m*K) abgeschätzt.
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