Entwicklung und Modellierung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels der 5-kW-Klasse:
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| Language: | German |
| Published: |
Jülich
Forschungszentrum, Zentralbibliothek
2005
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| Series: | Schriften des Forschungszentrums Jülich
Reihe Energietechnik ; 46 |
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| adam_text | ENTWICKLUNG UND MODELLIERUNG EINES POLYMERELEKTROLYT-
BRENNSTOFFZELLENSTAPELS DER 5 KW KLASSE VON DER FAKULTAET FUER
MASCHINENWESEN DER RHEINISCH-WESTFAELISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE AACHEN
ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES EINES DOKTORS DER
INGENIEURWISSENSCHAFTEN GENEHMIGTE DISSERTATION VORGELEGT VON DIPL.-ING.
THORSTEN WUESTER AUS STARNBERG BERICHTER: UNIV.-PROF. DR.-ING. DETLEF
STOLTEN UNIV.-PROF. DR.-ING. KURT KUGELER TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG:
14. MAERZ 2005 16337420 INHALT 1 EINFUEHRUNG UND ZIELSETZUNG 1 2
LEISTUNGSMODELLIERUNG EINER PEFC 12 2.1 ANALYTISCHER EINDIMENSIONALER
MODELLANSATZ 13 2.2 QUASI EINDIMENSIONALER (Q1D-) MODELLANSATZ 20 2.2.1
ANWENDUNG DES Q1 D-MODELLANSATZES AUF ZELLEN IM LABORMASSSTAB 22 2.2.2
ANWENDUNG DES Q1 D-MODELLANSATZES AUF EINZELZELLEN EINES 5 KW-STAPELS 27
2.3 IDENTIFIKATION VON OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN BEZUEGLICH DER
ZELLLEISTUNG 30 2.3.1 DEFINITION EINES BASISFALLS 30 2.3.2 EINFLUSS DER
MODELLPARAMETER 32 2.3.3 EINFLUSS AUSGEWAEHLTER BETRIEBSPARAMETER 34 2.4
ZUSAMMENFASSUNG 37 3 MESSAUFBAUTEN UND MESSMETHODEN 39 3.1 AUFBAU DER
EINZELZELLEN UND ZELLSTAPEL 39 3.2 MESSSTAENDE UND MESSAPPARATUREN 42
3.2.1 VISUALISIERUNG DER STROEMUNG IN EINZELZELLEN 42 3.2.2 MESSSTAND ZUR
LEISTUNGSCHARAKTERISIERUNG 42 3.2.3 PASSIVES WIDERSTANDSNETZWERK ZUR
STROMDICHTEMESSUNG 44 3.2.4 MAGNETOTOMOGRAPHIEMESSSTAND ZUR
STROMDICHTEMESSUNG 45 3.3 DICHTIGKEITSMESSUNG 46 3.4 KRAFTFLUSSMESSUNG
47 3.5 STROMDICHTEMESSUNG 47 3.5.1 PASSIVES WIDERSTANDSNETZWERK 48 3.5.2
MAGNETOTOMOGRAPHIE 52 3.6 WIDERSTANDSMESSUNG 58 3.7 MESSUNG DES
TROPFENAUSTRAGS AUS DER STROEMUNGSSTRUKTUR 58 4 AUSWERTUNG DER
MESSERGEBNISSE 60 4.1 BEWERTUNG VON STROEMUNGSSTRUKTUREN UND
BIPOLARPLATTENMATERIALIEN 60 4.1.1 VERGLEICH ZWISCHEN MAEANDER- UND
KANAL-FUESSCHEN-STROEMUNGSSTRUKTUR 60 4.1.2 VERGLEICH ZWISCHEN METALLISCHEN
UND GRAPHITISCHEN BIPOLARPLATTEN 63 4.2 VARIATION VON BETRIEBSPARAMETERN
64 4.2.1 DURCHFLUSS 64 4.2.2 DRUCK 65 4.2.3 TEMPERATUR 66 4.2.4
REAKTANDENBEFEUCHTUNG 68 4.3 STROMDICHTEMESSUNG 69 4.3.1
STROMDICHTEMESSUNG MIT HILFE DES PASSIVEN WIDERSTANDSNETZWERKS 69 4.3.2
MAGNETOTOMOGRAPHIE 74 4.4 WEITERFUEHRENDE CHARAKTERISIERUNG 77 4.4.1
DICHTUNGSSCREENING 77 4.4.2 ANPRESSDRUCKVERTEILUNG 79 4.5
ZUSAMMENFASSUNG 80 5 MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 83 5.1 VERFAHREN ZUR
BERECHNUNG DER MEDIENVERTEILUNG IN EINEM ZELLSTAPEL 86 5.1.1
EINDIMENSIONALER RECHENANSATZ 87 5.1.2 DREIDIMENSIONALE
STROEMUNGSSIMULATION 90 5.1.3 VERGLEICH DER 1D- UND 3D-RECHENERGEBNISSE
93 5.2 EINFLUSS DER STACKGEOMETRIE UND DER BETRIEBSPARAMETER AUF DIE
MEDIENVERTEILUNG 95 5.3 KENNZAHLENBASIERTE BESCHREIBUNG DER
MEDIENVERTEILUNG 103 5.3.1 DEFINITION DIMENSIONSLOSER KENNZAHLEN 103
5.3.2 ERGEBNISSE DER KENNZAHLENBASIERTEN BETRACHTUNG 106 5.3.3 FORMEL
ZUR BEWERTUNG DER MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 111 5.4 ZUSAMMENFASSUNG
112 6 KUEHLUNG 114 6.1 WAERMEBILANZ EINES 5 KW BRENNSTOFFZELLENSTAPELS 115
6.2 VERLUSTLEISTUNG DURCH KUEHLUNG 117 6.3 VERGLEICH DER VERLUSTLEISTUNG
BEI LUFT- UND WASSERKUEHLUNG 119 6.4 AUSLEGUNGSROUTINE FUER
KUEHLKANALGEOMETRIEN 123 6.5 BERECHNUNG DER OPTIMALEN KUEHLZELLENANZAHL IN
EINEM ZELLSTAPEL 128 6.6 ZUSAMMENFASSUNG 132 7 BEFEUCHTUNG 133 7.1
BEFEUCHTUNGSKONZEPTE 133 7.2 MEMBRANVERFAHREN 135 7.2.1 EXPERIMENTELLE
CHARAKTERISIERUNG DES PERVAPORATIONSBEFEUCHTERS 135 7.2.2 EXPERIMENTELLE
CHARAKTERISIERUNG DES GASPERMEATIONSBEFEUCHTERS 137 7.3 ZUSAMMENFASSUNG
139 INHALT 8 BETRACHTUNG EINES PEFC-SYSTEMS DER 5 KW-KLASSE 140 8.1
BETRACHTETE SYSTEMKONZEPTE 140 8.2 MODELLANNAHMEN 141 8.3 ERGEBNISSE DER
SYSTEMBETRACHTUNG 143 8.4 ZUSAMMENFASSUNG 145 9 KONSTRUKTIVE
BAUTEILOPTIMIERUNG 146 9.1 ENDPLATTENDESIGN 146 9.1.1 EINFLUSS DER
ENDPLATTENWOELBUNG AUF DIE DRUCKVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 147 9.1.2
GEWICHTSREDUKTIONSPOTENTIAL DER ENDPLATTEN 153 9.1.3 BAUTEILKOSTEN
AUSGEWAEHLTER ENDPLATTENVARIANTEN 160 9.2 DICHTUNG 166 9.3
ZUSAMMENFASSUNG 170 10 POLYMERELEKTROLYT-BRENNSTOFFZELLENSTAPEL DER 5 KW
KLASSE 173 11 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 176 12 LITERATURVERZEICHNIS
180 13 ANHANG 187 13.1 NOMENKLATUR 187 13.2 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 5
(MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL) 192 13.3 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 6
(KUEHLUNG) 196 13.4 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 9 (KONSTRUKTIVE
BAUTEILOPTIMIERUNG) 199
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ENTWICKLUNG UND MODELLIERUNG EINES POLYMERELEKTROLYT-
BRENNSTOFFZELLENSTAPELS DER 5 KW KLASSE VON DER FAKULTAET FUER
MASCHINENWESEN DER RHEINISCH-WESTFAELISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE AACHEN
ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES EINES DOKTORS DER
INGENIEURWISSENSCHAFTEN GENEHMIGTE DISSERTATION VORGELEGT VON DIPL.-ING.
THORSTEN WUESTER AUS STARNBERG BERICHTER: UNIV.-PROF. DR.-ING. DETLEF
STOLTEN UNIV.-PROF. DR.-ING. KURT KUGELER TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG:
14. MAERZ 2005 16337420 INHALT 1 EINFUEHRUNG UND ZIELSETZUNG 1 2
LEISTUNGSMODELLIERUNG EINER PEFC 12 2.1 ANALYTISCHER EINDIMENSIONALER
MODELLANSATZ 13 2.2 QUASI EINDIMENSIONALER (Q1D-) MODELLANSATZ 20 2.2.1
ANWENDUNG DES Q1 D-MODELLANSATZES AUF ZELLEN IM LABORMASSSTAB 22 2.2.2
ANWENDUNG DES Q1 D-MODELLANSATZES AUF EINZELZELLEN EINES 5 KW-STAPELS 27
2.3 IDENTIFIKATION VON OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN BEZUEGLICH DER
ZELLLEISTUNG 30 2.3.1 DEFINITION EINES BASISFALLS 30 2.3.2 EINFLUSS DER
MODELLPARAMETER 32 2.3.3 EINFLUSS AUSGEWAEHLTER BETRIEBSPARAMETER 34 2.4
ZUSAMMENFASSUNG 37 3 MESSAUFBAUTEN UND MESSMETHODEN 39 3.1 AUFBAU DER
EINZELZELLEN UND ZELLSTAPEL 39 3.2 MESSSTAENDE UND MESSAPPARATUREN 42
3.2.1 VISUALISIERUNG DER STROEMUNG IN EINZELZELLEN 42 3.2.2 MESSSTAND ZUR
LEISTUNGSCHARAKTERISIERUNG 42 3.2.3 PASSIVES WIDERSTANDSNETZWERK ZUR
STROMDICHTEMESSUNG 44 3.2.4 MAGNETOTOMOGRAPHIEMESSSTAND ZUR
STROMDICHTEMESSUNG 45 3.3 DICHTIGKEITSMESSUNG 46 3.4 KRAFTFLUSSMESSUNG
47 3.5 STROMDICHTEMESSUNG 47 3.5.1 PASSIVES WIDERSTANDSNETZWERK 48 3.5.2
MAGNETOTOMOGRAPHIE 52 3.6 WIDERSTANDSMESSUNG 58 3.7 MESSUNG DES
TROPFENAUSTRAGS AUS DER STROEMUNGSSTRUKTUR 58 4 AUSWERTUNG DER
MESSERGEBNISSE 60 4.1 BEWERTUNG VON STROEMUNGSSTRUKTUREN UND
BIPOLARPLATTENMATERIALIEN 60 4.1.1 VERGLEICH ZWISCHEN MAEANDER- UND
KANAL-FUESSCHEN-STROEMUNGSSTRUKTUR 60 4.1.2 VERGLEICH ZWISCHEN METALLISCHEN
UND GRAPHITISCHEN BIPOLARPLATTEN 63 4.2 VARIATION VON BETRIEBSPARAMETERN
64 4.2.1 DURCHFLUSS 64 4.2.2 DRUCK 65 4.2.3 TEMPERATUR 66 4.2.4
REAKTANDENBEFEUCHTUNG 68 4.3 STROMDICHTEMESSUNG 69 4.3.1
STROMDICHTEMESSUNG MIT HILFE DES PASSIVEN WIDERSTANDSNETZWERKS 69 4.3.2
MAGNETOTOMOGRAPHIE 74 4.4 WEITERFUEHRENDE CHARAKTERISIERUNG 77 4.4.1
DICHTUNGSSCREENING 77 4.4.2 ANPRESSDRUCKVERTEILUNG 79 4.5
ZUSAMMENFASSUNG 80 5 MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 83 5.1 VERFAHREN ZUR
BERECHNUNG DER MEDIENVERTEILUNG IN EINEM ZELLSTAPEL 86 5.1.1
EINDIMENSIONALER RECHENANSATZ 87 5.1.2 DREIDIMENSIONALE
STROEMUNGSSIMULATION 90 5.1.3 VERGLEICH DER 1D- UND 3D-RECHENERGEBNISSE
93 5.2 EINFLUSS DER STACKGEOMETRIE UND DER BETRIEBSPARAMETER AUF DIE
MEDIENVERTEILUNG 95 5.3 KENNZAHLENBASIERTE BESCHREIBUNG DER
MEDIENVERTEILUNG 103 5.3.1 DEFINITION DIMENSIONSLOSER KENNZAHLEN 103
5.3.2 ERGEBNISSE DER KENNZAHLENBASIERTEN BETRACHTUNG 106 5.3.3 FORMEL
ZUR BEWERTUNG DER MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 111 5.4 ZUSAMMENFASSUNG
112 6 KUEHLUNG 114 6.1 WAERMEBILANZ EINES 5 KW BRENNSTOFFZELLENSTAPELS 115
6.2 VERLUSTLEISTUNG DURCH KUEHLUNG 117 6.3 VERGLEICH DER VERLUSTLEISTUNG
BEI LUFT- UND WASSERKUEHLUNG 119 6.4 AUSLEGUNGSROUTINE FUER
KUEHLKANALGEOMETRIEN 123 6.5 BERECHNUNG DER OPTIMALEN KUEHLZELLENANZAHL IN
EINEM ZELLSTAPEL 128 6.6 ZUSAMMENFASSUNG 132 7 BEFEUCHTUNG 133 7.1
BEFEUCHTUNGSKONZEPTE 133 7.2 MEMBRANVERFAHREN 135 7.2.1 EXPERIMENTELLE
CHARAKTERISIERUNG DES PERVAPORATIONSBEFEUCHTERS 135 7.2.2 EXPERIMENTELLE
CHARAKTERISIERUNG DES GASPERMEATIONSBEFEUCHTERS 137 7.3 ZUSAMMENFASSUNG
139 INHALT 8 BETRACHTUNG EINES PEFC-SYSTEMS DER 5 KW-KLASSE 140 8.1
BETRACHTETE SYSTEMKONZEPTE 140 8.2 MODELLANNAHMEN 141 8.3 ERGEBNISSE DER
SYSTEMBETRACHTUNG 143 8.4 ZUSAMMENFASSUNG 145 9 KONSTRUKTIVE
BAUTEILOPTIMIERUNG 146 9.1 ENDPLATTENDESIGN 146 9.1.1 EINFLUSS DER
ENDPLATTENWOELBUNG AUF DIE DRUCKVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL 147 9.1.2
GEWICHTSREDUKTIONSPOTENTIAL DER ENDPLATTEN 153 9.1.3 BAUTEILKOSTEN
AUSGEWAEHLTER ENDPLATTENVARIANTEN 160 9.2 DICHTUNG 166 9.3
ZUSAMMENFASSUNG 170 10 POLYMERELEKTROLYT-BRENNSTOFFZELLENSTAPEL DER 5 KW
KLASSE 173 11 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 176 12 LITERATURVERZEICHNIS
180 13 ANHANG 187 13.1 NOMENKLATUR 187 13.2 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 5
(MEDIENVERTEILUNG IM ZELLSTAPEL) 192 13.3 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 6
(KUEHLUNG) 196 13.4 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 9 (KONSTRUKTIVE
BAUTEILOPTIMIERUNG) 199 |
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