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136 7 Befeuchtung
peratur des Permeats bei einem Betriebsdruck von 2 bar um 5 K über der bei Umgebungsdruck.
Aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeit sowie einem höheren mittleren Wasserpartialdruck
ist die übertragene Wassermenge allerdings bei gleichem Volumenstrom unter Standardbedingungen
bei dem höheren Druck geringer.
Taupunkttemperatur Permeataustritt [°C]
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
5 l N
/min (1 bar)
10 l N
/min (1 bar)
15 l N
/min (1 bar)
20 l N
/min (1 bar)
polynom. Regression
5 l N
/min (2 bar)
20 l N
/min (2 bar)
polynom. Regression
relative Feuchte ϕ=80% (T BZ
=T Befeuchter
)
40
45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
Befeuchtertemperatur [°C]
Bild 7.2: Abhängigkeit der Taupunkttemperatur des Permeats am Befeuchteraustritt als Funktion der
Befeuchtertemperatur für unterschiedliche Permeatvolumenströme und Betriebsdrücke
Der hohe Wärmekapazitätsstrom des flüssigen Wassers führt zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
in dem Befeuchtermodul. Die für den Phasenwechsel des permeierenden Wassers
benötigte Verdampfungsenthalpie wird dem flüssigen Wasser entzogen und führt zu einer Temperatursenkung.
Bei hohen Massenströmen permeierenden Wassers kann die Bereitstellung
der Verdampfungsenthalpie eine Temperaturdifferenz des flüssigen Wasser zwischen Feedeintritt
und –austritt von bis zu 5 K bewirken. Dies erklärt den degressiven Verlauf der Kurven in
Bild 7.2, der besonders bei hohen Volumenströmen und Befeuchtertemperaturen zu beobachten
ist. Dieser Effekt wird zusätzlich durch höhere Wärmeverluste an die Umgebung verstärkt.
Die in Kapitel 4.3.1 auf Seite 74 geforderte minimale relative Feuchte der Reaktandengase
beträgt ϕ ≥ 80 %. Bild 7.2 zeigt den Verlauf der dieser relativen Feuchte entsprechenden Taupunkttemperatur
des Permeats in Abhängigkeit der Befeuchtertemperatur. Der Darstellung liegt
die Annahme zugrunde, dass die Befeuchtertemperatur der Brennstoffzellentemperatur entspricht.
Es zeigt sich, dass mit einer einzelnen Befeuchterzelle bei einem Volumenstrom von
beispielsweise 20 l/min und einem Betriebsdruck von 2 bar die Brennstoffzellentemperatur
maximal 81 °C betragen darf. Wird der Befeuchter beziehungsweise die Brennstoffzelle unter
Umgebungsdruck betrieben, liegt bei gleichem Gasmassenstrom die zulässige Zelltemperatur
bei nur 60 °C.