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142 8 Betrachtung eines PEFC-Systems der 5 kW-Klasse
Zellen mit Mäander-Strömungsstruktur. Bei einer aktiven Fläche von 244 cm² pro Zelle beträgt
im Nennlastpunkt von 5 kW die flächenspezifische Leistung 0,41 W/cm². Die untersuchten Betriebsbedingungen
lauten:
- Betriebsdruck (Druck am Brennstoffzelleneintritt): p =1,1 – 3,8 bar
- Brennstoffzellentemperatur: T
BZ
=70 °C
- Stöchiometriekoeffizienten: λ
Luft
=2, λ
H 2
=1,1
- Stromdichte: 0,64 A/cm²
Als Referenzbetriebsdruck wird ein Druck am Eintritt in die Brennstoffzelle von 2 bar ausgewählt.
Die Zellcharakterisierung in Kapitel 4.2.2 hat gezeigt, dass die vorliegenden Einzelzellen
bei diesem Druck die geforderte flächenspezifische Leistung bei einer Zellspannung von rund
640 mV erreichen. Die Änderung der Zellspannung beziehungsweise der Leistung bei Variation
des Betriebsdrucks wird mit Hilfe des Q1D-Ansatzes aus Kapitel 2.2.2 ermittelt. Die benötigten
Modellparameter werden aus den in Kapitel 4.2.2 vorgestellten Experimenten gewonnen.
Für die Verdichterleitung gilt
P
Verd .
γ −1
⎡ ⎤
T1.
⎢⎛
p ⎞ γ
2
= mɺ ⋅ ⋅
⋅ −
⎥
⎢
⎜
⎟
Luft
c
p
1
Gl. 8.1
Luft
η ⋅
⎥
Verd ., is
ηVerd
., T
⎢
⎝ p1
⎠
⎣ ⎥⎦
Mit 1 ist der Zustand vor dem Verdichter, mit 2 der Zustand nach dem Verdichter bezeichnet.
Zustand 1 entspricht dem Umgebungszustand bei 1 bar und 15 °C. γ bezeichnet den Isentropenexponent,
η
Verd., is
den isentropen Wirkungsgrad. η
Verd., T
umfasst den mechanischen Wirkungsgrad
und den Motorwirkungsgrad des Verdichters. Über den gesamten betrachteten
Druckbereich ist der Verdichterwirkungsgrad konstant. Es erfolgt keine Unterscheidung
zwischen verschiedenen Verdichterbauarten. Bei den Berechnungen beträgt η
Verd., is
=0,7 und
η =0,7.
Verd.,T
Die mit Hilfe des Expanders aus dem Kathodenabgas zurück gewonnene Leistung ist gegeben
durch
γ −1
⎡ ⎤
( )
⎢⎛
p ⎞ γ
2
P = − mɺ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −
⎥
⎢
⎜
⎟
Exp
c
p
T1.
η
.,
η
.,
1
1 Exp is Exp T
Gl. 8.2
⎥
⎢
⎝ p1
⎠
⎣ ⎥⎦
η
Exp.,T
umfasst neben dem mechanischen Wirkungsgrad alle weiteren äußeren Verluste. Die
Expanderwirkungsgrade werden angenommen als η
Exp., is
=0,7 und η
Exp., T
=0,9.
Wasserabscheider sind anoden- und kathodenseitig hinter dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
Vereinfachend wird angenommen, dass unabhängig vom Volumenstrom 90 % des in den
Gasströmen enthaltenen flüssigen Wassers abgeschieden wird. Abhängig vom gewählten
Befeuchtungskonzept wird das abgeschiedene flüssige Wasser dem Kühlwasserkreislauf oder
einem Zerstäuber zugeführt.