feat(fluid): ΔP model + pump power + stoich water flow (v0.5 Phase 1)

Physik:
- Darcy-Friction-Factor f(α, Re) via Shah & London (1978) Table 42,
  linear interpolation zwischen 12 Stützstellen α ∈ [0.01, 1.0]
- Water density + viscosity als T-abhängige Fits (NIST / Seeton 2006)
- Flow-Pattern bestimmt Pfadlänge: serpentine (L ≈ H · (W/pitch)),
  parallel (L ≈ H), interdigitated v0.5 wie parallel approximiert
- Laminar only (Re < 2000); ValueError bei Turbulenz
- Pumpenleistung P = ΔP · Q / η_pump
- Stöchiometrische Wasserzufuhr ṁ = I/(2F) · M_H2O · λ / ρ(T)

Tests: 23 neue (total 144 grün), inkl. f·Re-Stützstellen-Check,
Serpentine > Parallel, realistic magnitude (~O(10²-10⁴) Pa), Faraday-
Skalierung, Input-Validation.

Docs: v0.5-plan.md updated — Q1-4 + Q6 confirmed, Q5 (paper choice)
bleibt offen, blockiert aber nicht Phase 1/2.

Author: Tools00

docs/planning/v0.5-plan.md

@@ -0,0 +1,248 @@
+# v0.5 Plan — ΔP-Model + Rectangular Stacks + 2nd Validation
+
+**Status:** Draft for review (2026-04-20). **No code written yet.**
+**Scope:** 2–3 Werktage, ein Entwickler. Pure Python + Streamlit, keine neuen
+Runtime-Dependencies.
+
+---
+
+## Scope
+
+### In v0.5
+1. **ΔP-Modell** — Druckabfall im Flow-Field als Physik (nicht nur Display-Only),
+   Pumpenleistung als Parasitic Power, Integration in Stack-KPIs + Polarisations-Tab.
+2. **Rechteckige Stacks** — BPP / Active Area mit Aspect Ratio ≠ 1.
+3. **2. Validation** — experimentelle Polarisationskurve aus Paper gegen Modell,
+   RMSE-Test in `tests/test_validation.py`.
+
+### Out of v0.5 (→ v1.0)
+Material-DB (SQLite), Cost-Estimator, PDF-Export, DE/EN-Switch, ML-Surrogate,
+Water-Management-Modell, Degradation. Begründung: Aspect-Ratio und ΔP sind
+Physik-Erweiterungen, die anderen sind UX-/Infra-Arbeit ohne Physik-Zuwachs.
+
+---
+
+## 1. ΔP-Modell
+
+### Physik
+
+Laminare Strömung in rechteckigen Kanälen — Reynolds im PEM-EC-Betrieb ist O(10–100),
+damit ist Darcy-Friction-Factor `f · Re = C(α)` eine Funktion des
+Aspect-Ratios α = channel_depth / channel_width (Shah & London 1978, Table 42):
+
+| α (d/w) | 1.0 | 0.8 | 0.5 | 0.25 | 0.1 |
+|---------|------|------|------|-------|------|
+| f·Re    | 56.9 | 58.0 | 62.2 | 72.9  | 84.7 |
+
+Druckabfall:
+
+```
+ΔP = f · (L / D_h) · (ρ · V² / 2)
+D_h = 4·A_channel / P_wetted = 2·w·d / (w + d)
+V   = Q_channel / A_channel
+```
+
+**Flow-Pattern bestimmt Pfadlänge L:**
+- `serpentine`: L ≈ edge · (edge / pitch)            → lange Schlange, hoher ΔP
+- `parallel`:   L ≈ edge                              → viele kurze parallele Pfade
+- `interdigitated`: L ≈ edge · 0.9 + (Land-Crossing)  → Mischfall, Land-Druckabfall
+  dominiert; **v0.5 Approximation:** wie parallel, Hinweis als Caption
+  (echtes Modell → v0.6+)
+
+**Wasser-Flow-Rate** (stoichiometrisch mit User-konfigurierbarem λ):
+
+```
+ṁ_H2O_stoich = I_cell / (2 · F) · M_H2O       [kg/s/cell]
+ṁ_H2O_actual = λ · ṁ_H2O_stoich                (λ default 50, slider 10–300)
+Q_cell       = ṁ_H2O_actual / ρ_water          [m³/s/cell]
+```
+
+Wasser parallel auf alle Kanäle einer Zelle verteilt; Anzahl Kanäle:
+`n_channels = edge_width / pitch`.
+
+**Pumpenleistung:**
+
+```
+P_pump,cell  = ΔP · Q_cell / η_pump     (η_pump default 0.6, slider 0.3–0.9)
+P_pump,stack = N · P_pump,cell
+```
+
+Fließt als **Parasitic Load** in die Netto-Effizienz:
+
+```
+η_net = η_stack · (1 − P_pump,stack / P_electric,stack)
+```
+
+### Referenzen
+- Shah & London (1978) "Laminar flow forced convection in ducts", Adv. Heat Transfer,
+  Supp. 1 — f·Re-Tabellen für rechteckige Kanäle.
+- Barbir (2012) PEM Fuel Cells, Ch. 4.3 — Serpentine-Pfadlänge-Schätzung.
+- Kakac, Shah, Aung (1987) Handbook of Single-Phase Convective Heat Transfer
+  — Bestätigung f·Re-Korrelation, Textbook-Ref falls Shah&London schwer zugänglich.
+
+### Dateien
+- **Neu:** `src/fluid.py` — `pressure_drop_pa(flow_pattern, channel_geometry, q_per_channel)`,
+  `pump_power_w(dp, q, eta_pump)`, `darcy_friction_factor(aspect_ratio, re)`.
+- **Neu:** `tests/test_fluid.py` — f·Re-Verifikation, Re-Bereichs-Check,
+  Serpentine > Parallel bei gleicher Geometrie.
+- **Modifiziert:** `src/streamlit_app.py` — Sidebar: λ, η_pump; Polarization-Tab:
+  P_pump als neue KPI, η_net neben η_energy.
+
+### Offene Fragen
+- **Q1:** Soll η_pump Preset-abhängig sein (centrifugal vs membrane pump) oder
+  User-Slider? **Empfehlung:** Slider (default 0.6), Preset erst v1.0.
+- **Q2:** Wo zeigen wir ΔP? Im Polarization-Tab als 3. Chart, oder neu im
+  Assembly-Tab? **Empfehlung:** Polarization-Tab (gehört zur System-Bilanz),
+  Assembly-Tab bleibt Geometrie-Only.
+
+---
+
+## 2. Rechteckige Stacks
+
+### Problem
+`StackAssembly.active_area_m2` ist skalar → Visualisierung nimmt sqrt → quadratisch.
+Realistische Stacks haben z. B. 100×300 mm (3:1), wichtig für ΔP (langer serpentine
+statt vieler kurzer parallel Pfade).
+
+### Lösungsansatz
+`StackAssembly` erhält ein optionales Feld `active_aspect_ratio: float = 1.0`,
+interpretiert als width/height. Default 1.0 → bestehende Tests + JSON-Kompatibilität
+bleiben.
+
+```python
+@dataclass(frozen=True)
+class StackAssembly:
+    ...
+    active_aspect_ratio: float = field(default=1.0)  # width / height
+```
+
+**Abgeleitete Größen:**
+```python
+active_width_m  = sqrt(active_area_m2 * active_aspect_ratio)
+active_height_m = sqrt(active_area_m2 / active_aspect_ratio)
+bpp_width_m     = active_width_m  + 2 * frame_width
+bpp_height_m    = active_height_m + 2 * frame_width
+```
+
+**ΔP nutzt die Flow-Richtung:** Serpentine läuft entlang der längeren Kante
+(default) → L = height · (width / pitch).
+
+### Dateien
+- **Modifiziert:** `src/assembly.py` — neues Feld, `bpp_outer_dimensions_m`
+  gibt (width, height) korrekt zurück.
+- **Modifiziert:** `src/visualization.py` — `draw_bpp_top_view` zeichnet
+  Rechteck, Flow-Pattern folgt langer Kante.
+- **Modifiziert:** `src/streamlit_app.py` — Sidebar-Slider „Aspect ratio"
+  (0.2–5.0, default 1.0).
+- **Neu:** `tests/test_assembly.py::test_rectangular_stack_area_preserved` —
+  AR≠1 erhält active_area_m2 exakt.
+
+### Offene Fragen
+- **Q3:** Aspect ratio als Sidebar-Global oder Assembly-Tab-Lokal? **Empfehlung:**
+  Sidebar (wie BPP), weil ΔP im Polarization-Tab davon abhängt.
+- **Q4:** Visualisierung: Querschnitt sollte NICHT mit AR skalieren (zeigt Dicke,
+  nicht Grundfläche) — bestätigen.
+
+---
+
+## 3. Zweite Validation
+
+### Kandidaten-Papers
+
+| Paper | Bedingungen | Vorteil | Nachteil |
+|---|---|---|---|
+| Lettenmeier et al. 2016 EES 9(8) | 80 °C, 1 bar, Nafion 212, IrO2/Pt-C | BPP-Preset stammt schon daher → konsistent | Kurve muss digitalisiert werden (WebPlotDigitizer); 2–3 h Arbeit |
+| Carmo et al. 2013 IJHE 38(12) | Review-Kurven | Breites Daten-Ensemble | Nicht eine kanonische Kurve, sondern viele Punkte |
+| Siracusano et al. 2011 IJHE 36(17) | 80 °C, Nafion 115, IrO2 | Klassiker, oft zitiert | Membran Nafion 115 (175 µm), Preset haben wir aber |
+| Bernt et al. 2020 JES 167 | 80 °C, N212, Pt/C ultra-low | Open-access, Tabellendaten im SI | Cathode catalyst loading sehr niedrig → v0.3.1-Preset passt |
+
+**Empfehlung:** **Bernt et al. 2020 JES 167** — open-access, Supplementary Info
+hat Tabellendaten (keine Plot-Digitalisierung), Katalysator-Preset in v0.3.1
+bereits vorhanden.
+
+### Testspezifikation
+
+```python
+# tests/test_validation.py::test_rmse_vs_bernt2020
+def test_rmse_vs_bernt2020():
+    data = load_csv("docs/validation/bernt_2020_fig3a.csv")
+    # columns: j_a_per_cm2, u_cell_v
+    predicted = [cell.cell_voltage(U.a_per_cm2_to_a_per_m2(j))
+                 for j in data["j_a_per_cm2"]]
+    rmse = np.sqrt(np.mean((predicted - data["u_cell_v"])**2))
+    assert rmse < 0.040, f"RMSE {rmse*1000:.1f} mV > 40 mV budget"
+```
+
+**Pass-Kriterium:** RMSE < 40 mV über 0.05–3.0 A/cm². Ref-Modelle aus Literatur
+(z. B. Marangio 2009) erreichen typ. 20–60 mV → 40 mV ist realistisches Ziel.
+
+### Dateien
+- **Neu:** `docs/validation/bernt_2020_fig3a.csv` — rohe (j, U)-Daten aus Paper-SI.
+- **Neu:** `docs/validation/bernt_2020_setup.md` — Operating-Conditions + welche
+  Preset-Kombination im Test genutzt wird (Nafion 212, Pt/C ultra-low, IrO2, …).
+- **Neu:** `tests/test_validation.py::test_rmse_vs_bernt2020`.
+
+### Offene Fragen
+- **Q5:** Paper-Zugang — liegt `Bernt 2020 JES 167.pdf` in
+  `~/Downloads/PEMFC Claude AVL others/`? Wenn nein, welches Paper steht sicher
+  zur Verfügung?
+- **Q6:** Falls RMSE > 40 mV: Parameter-Fit (α, j₀) oder Budget auf 60 mV
+  anheben? **Empfehlung:** Erst Budget anheben + als Known-Issue dokumentieren,
+  kein Fit (würde Physik-first-Anspruch unterlaufen).
+
+---
+
+## Risiken & Trade-offs
+
+| Risiko | Wahrscheinlichkeit | Mitigation |
+|---|---|---|
+| ΔP-Modell bei interdigitated zu grob | Hoch | Als Caption „Approximation"; v0.6 für echtes Modell |
+| AR bricht Visualization-Layout (zu breit/hoch) | Mittel | Canvas-Sizing mit scaleanchor, max-Breite clampen |
+| Bernt-2020 nicht zugänglich → Fallback nötig | Mittel | Lettenmeier 2016 als Plan B, WebPlotDigitizer-Aufwand einplanen |
+| RMSE > 60 mV → Modell-Überarbeitung | Niedrig | ADR-007 dokumentiert, v0.5 verzögert sich um 1 Tag |
+
+---
+
+## Ablauf (2–3 Werktage)
+
+| Tag | Arbeit |
+|---|---|
+| 1 | `src/fluid.py` + Tests; Streamlit-Integration mit λ- und η_pump-Slider; ΔP-KPI |
+| 2 | Aspect-Ratio-Feld in StackAssembly; Visualization anpassen; Sidebar-Slider |
+| 3 | Validation-CSV + Test + Setup-Doc; ADR-007; CHANGELOG v0.5.0; Release |
+
+---
+
+## Was ich vom User brauche (bevor gebaut wird)
+
+### Resolved (User 2026-04-20)
+
+- **Q1:** η_pump als Slider (default 0.6). ✓
+- **Q2:** ΔP-KPI im Polarization-Tab. ✓
+- **Q3:** Aspect-Ratio in Sidebar (globale Quelle). ✓
+- **Q4:** Querschnitt bleibt AR-unabhängig (zeigt nur Layer-Dicken). ✓
+- **Q6:** RMSE-Ziel **40 mV hart**. Bei Miss Dokumentation als Known-Issue
+  mit weichem Budget 60 mV, **kein Parameter-Fit** (würde Physik-first-Anspruch
+  unterlaufen).
+
+### Offen
+
+- **Q5: Paper** — User möchte neuere Arbeit statt Bernt 2020.
+  Shortlist neuerer Kandidaten (Entscheidung vor Phase 3, blockiert Phase 1/2 nicht):
+
+  | Paper | Conditions | Warum | Zugang |
+  |---|---|---|---|
+  | Goswami et al. 2023 JPS 578 | Gore-Select M820, 80 °C | Preset schon im Projekt (v0.3.1); Ziel-Paper ist dünne reinforced Membran | wahrscheinlich im PDF-Ordner |
+  | Möller-Gulland et al. 2024 JES 171 | N212 / kommerziell | neueste JES-Arbeit mit Full-Curve + SI-Tabellen | muss geprüft werden |
+  | Stiber et al. 2022 AEM 12(29) | Ti-PTL-Fokus, IrO2/Pt-C | Materials passen 1:1 zu unseren Ti-BPP + IrO2-Presets | open-access |
+
+  **User-Pick nötig**, sobald Phase 1 abgeschlossen ist.
+
+---
+
+## Nicht-Ziele (explizit)
+
+- Keine 2D/3D-Flow-Simulation (CFD ist PEMFC-Phase-2-Scope, CLAUDE.md).
+- Kein Turbulenz-Modell (Re < 500 durchweg, laminar reicht).
+- Kein Two-Phase-Flow (Gas-Blasen), obwohl physikalisch präsent — v1.0-Scope.
+- Keine Änderung bestehender Preset-Werte in `materials.py` / `components.py`.