View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich
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5 Medienverteilung im Zellstapel<br />
Für den optimierten Betrieb eines Brennstoffzellenstapels ist eine homogene Verteilung der<br />
Medien auf die einzelnen Zellen von grundlegender Bedeutung. In Kapitel 2.3.3 wurden bereits<br />
die Auswirkungen einer ungleichmäßigen Medienverteilung diskutiert. Eine ungleichmäßige<br />
Verteilung kann dazu führen, dass einzelne Zellen des Stapels mit Reaktanden unterversorgt<br />
werden. Die in Folge dessen erhöhten Diffusionsüberspannungen verringern die Gesamtleistung<br />
des Stacks und beschleunigen die Alterung der Membran-Elektroden-Einheiten [63].<br />
Die in unterversorgten Zellen verringerte Strömungsgeschwindigkeit erschwert den Austrag von<br />
flüssigem Produktwasser. Blockiert das flüssige Wasser die Strömungsstrukturen, führt dies<br />
wiederum zu Leistungsverlusten. Das Ziel bei der Auslegung einer Brennstoffzelle ist daher, in<br />
jedem Betriebspunkt eine gleichmäßige Medienverteilung zu garantieren. Dies ist bei einem<br />
geringen Druckverlust im gesamten Stapel zu realisieren, um die Leistung der Peripherieaggregate<br />
zu minimieren.<br />
Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus seriell verschalteten Einzelzellen. Die Gasräume der Einzelzellen<br />
sind durch Vorsorgungskanäle, sogenannte Manifolds, miteinander verbunden. Die<br />
beiden Manifolds, im Folgenden zur Unterscheidung als Verteiler- und Sammlerkanal bezeichnet,<br />
sind rechtwinklig zu den einzelnen Zellen angeordnet. Der Verteilermanifold führt den<br />
Zellen die Medien zu. Im Sammlermanifold werden die Reaktionsprodukte sowie im Überschuss<br />
zugeführte Reaktanden gesammelt und aus dem System abgeführt. Im Allgemeinen liegt in<br />
einem Zellstapel entweder eine U- oder eine Z-förmige Strömungsführung vor. Der schematisch<br />
dargestellten Strömungsführung in Bild 5.1 ist zu entnehmen, dass bei der U-Strömung der<br />
Strömungsvektor der austretenden Medien dem der eintretenden Medien entgegengesetzt ist.<br />
Bei der Z-Strömung zeigen beide Strömungsvektoren in die gleiche Richtung.<br />
U-Strömung<br />
Z-Strömung<br />
statischer Druck<br />
Eintritt<br />
Austritt<br />
Verteiler<br />
Sammler<br />
statischer Druck<br />
Eintritt<br />
Verteiler<br />
Sammler<br />
Austritt<br />
0 0,25 0,5 0,75 1<br />
rel. Zellposition im Stapel<br />
0 0,25 0,5 0,75 1<br />
rel. Zellposition im Stapel<br />
Bild 5.1: Charakteristischer Verlauf des statischen Drucks in den Manifolds eines Zellstapels
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