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84 5 Medienverteilung im Zellstapel
Die Volumenstromverteilung über die Zellen ist abhängig von den Strömungsverhältnissen im
gesamten Zellstapel. Nicht nur die Strömungswiderstände in den Zellen selbst, sondern auch
die Druckverläufe in den Manifolds beeinflussen die Medienverteilung. Die Druckverluste in den
Manifolds sind im Wesentlichen durch Reibungs- und Verzweigungsverluste bedingt. Die im
Bereich der Volumenstromtrennung und –vereinigung auftretenden Verzweigungsverluste sind
bedingt durch Verluste in Ablösebereichen und Sekundärströmungen. Der in Bild 5.1 gezeigte
beispielhafte Verlauf des statischen Drucks in den Manifolds ergibt sich aus dem Verlauf der
Druckverluste und der Änderung des dynamischen Drucks. Ausschlaggebend für den Volumenstrom
in einer Einzelzelle ist die örtliche Druckdifferenz zwischen Verteiler- und Sammlerkanal.
Wie in Bild 5.1 qualitativ dargestellt, ist diese Druckdifferenz über den gesamten Stapel bei der
U-Strömung gleichmäßiger als bei der Z-Strömung. Damit ist auch die Medienverteilung auf die
Einzelzellen bei U-förmiger Strömungsführung homogener. In einem für Brennstoffzellenanwendungen
seltenen Fall kann auch bei gleichen Betriebsbedingungen und gleicher Geometrie die
Z-Strömung eine gleichmäßigere Verteilung liefern als die U-Strömung. Voraussetzung dafür ist,
dass in dem Verteilerkanal die Druckänderungen durch Reibungsverluste größer sind als die
Änderungen des dynamischen Drucks.
Aus der Literatur sind bereits mehrere Ansätze zur Berechnung der Volumenstromverteilung in
Verzweigungssystemen beziehungsweise Brennstoffzellenstacks bekannt. Eine Veröffentlichung
aus dem Jahr 1952 [83] beschreibt grundlegende theoretische Betrachtungen über die
Verteilung der Durchflussmenge in einem ebenen Verzweigungssystem. Die theoretischen Ansätze
werden experimentellen Daten gegenübergestellt. Die ermittelten Widerstandsbeiwerte
sind nur unter den vorliegenden Versuchsbedingungen gültig und somit nicht auf beliebige
Zellstapelgeometrien und Betriebsbedingungen übertragbar.
[84] beschreibt einen systematischen Algorithmus zur Berechnung der Druck- und Volumenstromverteilung
in einem U- oder Z-förmig durchströmten Zellstapel. Der auf den Gleichungen
der eindimensionalen Rohrströmung basierende Ansatz berücksichtigt nicht die Druckverluste,
die durch Volumenstromvereinigung und –trennung entstehen. Bezogen auf einen speziellen
Anwendungsfall, werden die Einflüsse unterschiedlicher Druckverlustterme in den Manifolds auf
die Medienverteilung im Stapel diskutiert.
[85] befasst sich mit der Medienverteilung in Hochtemperaturbrennstoffzellen. An einem Zellstapelmodell
werden die Stoßverluste in den Manifolds experimentell untersucht. Aus den
Messungen wird geschlussfolgert, dass die Druckverlustbeiwerte in den Manifolds unabhängig
von dem Volumenstrom und dem Manifoldquerschnitt sind.
In [86] wird für U-förmig durchströmte Zellstapel beliebiger Geometrie eine analytische Formel
zur Berechnung der Zellvolumenströme präsentiert. Der beschriebene Ansatz ist unter der
Annahme einer nicht näher quantifizierten gleichmäßigen Medienverteilung im Zellstapel
abgeleitet. Die Widerstandsbeiwerte sind konstant und nicht von den lokalen Strömungsverhältnissen
im Stack abhängig.
Die Autoren in [87] beschränken sich in ihrer Beschreibung auf Z-förmige Strömungsführungen.
Ein Berechnungsansatz für die Medienverteilung in Einzelzellen mit parallelen Kanälen wird auf
einen Zellstapel übertragen. In dem nur für laminare Strömungen gültigen Berechnungsansatz