View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

86 5 Medienverteilung im Zellstapel
einer ungleichmäßigen Verteilung des Oxidans auf die Leistung des Zellstapels groß. Aufgrund
des höheren Volumenstroms bedarf die Kathodenseite im Vergleich zur Anodenseite bei der
Auslegung besonderer Aufmerksamkeit. In den weiteren Betrachtungen wird daher nur die
Kathodenseite der Brennstoffzelle behandelt. Die Ausführungen beschränken sich auf Zellstapel
mit jeweils einem Verteiler- und einem Sammlerkanal. Über die Länge der Manifolds ist
der Querschnitt konstant.
5.1 Verfahren zur Berechnung der Medienverteilung in einem Zellstapel
Ein eindimensionaler Modellansatz zur Berechnung der Volumenstromverteilung in einem Zellstapel
sowie der für Vergleichsrechnungen verwendete numerische Strömungslöser werden im
Folgenden näher beschrieben. Beide Berechnungsverfahren vernachlässigen die in den Zellen
stattfindende elektrochemische Reaktion. Temperatureffekte sowie eine Änderung der Gaszusammensetzung
beziehungsweise des Gesamtmassenstroms werden nicht berücksichtigt.
Die Stoffwerte (Dichte, Viskosität) werden im gesamten System als konstant angenommen und
entsprechen den Bedingungen am Stapeleintritt. Die Annahme eines konstanten Gesamtmassenstroms
erlaubt, die Ergebnisse auch auf andere Anwendungen, wie zum Beispiel
Plattenwärmeübertrager, zu übertragen.
Durch die elektrochemische Reaktion verringert sich der Sauerstoffanteil und erhöht sich der
Wasseranteil im Kathodengas. Dies führt zu einer verringerten Gemischviskosität. Fällt das
Produktwasser in flüssiger Form an, verringert sich der Gasvolumenstrom und damit die
Strömungsgeschwindigkeit. Unter der Annahme, dass das flüssige Produktwasser die Gasströmung
nur vernachlässigbar beeinflusst, verringern beide Effekte die Druckverluste im
Sammlermanifold. Unter für Brennstoffzellen typischen Betriebsbedingungen begünstigt dies
wiederum eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden auf die einzelnen Zellen. Die Vernachlässigung
der elektrochemischen Reaktion stellt daher bezüglich der Reaktandenverteilung im
Zellstapel eine konservative Abschätzung dar.
Sowohl bei dem 1D- als auch bei dem 3D-Berechnungsverfahren werden die Strömungsstrukturen
in den einzelnen Zellen nicht im Detail betrachtet. Es wird angenommen, dass sich
der Volumenstrom in den Zellen proportional zu dem Druckverlust verhält. Der Proportionalitätsfaktor
wird im Folgenden mit Strömungsleitfähigkeit bezeichnet. Die Strömungsleitfähigkeit der
Zelle ist experimentell zu ermitteln oder für die in den Zellen vorliegenden Strömungsstrukturen
geeignet abzuschätzen. Der unter dieser Annahme entstehende Fehler in der Berechnung der
Volumenstromverteilung ist gering, wenn die Volumenströme der einzelnen Zellen nicht stark
voneinander abweichen.
Fertigungsbedingte Strömungsunterschiede zwischen den einzelnen Zellen, die ebenfalls die
Medienverteilung negativ beeinflussen, sind hier nicht Gegenstand der Betrachtung.