View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

8.4 Zusammenfassung 145
autarken Systembetrieb erlauben. Ohne Einsatz eines zusätzlichen Kondensators ist ein
wasserautarker Betrieb bis zu einem Betriebsdruck von ungefähr 1,8 bar nur durch die Verwendung
eines Gaspermeationsbefeuchters zu erzielen. Oberhalb von 1,8 bar ist die von den
Wasserabscheidern aus den Abgasen abgeschiedene Wassermenge größer als die zur Befeuchtung
der Reaktandengase benötigte Wassermenge. Ab diesem Betriebsdruck ist somit
eine auf Pervaporation basierende Befeuchtung möglich. Ein Vorteil dieser Variante ist, dass
dem Kühlwasser bei der Befeuchtung Wärme entzogen wird, so dass der Wärmeübertrager zur
Umgebung entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Kommen oberhalb eines Betriebsdruck
von rund 2,2 bar Membranbefeuchter zum Einsatz, ist nach dem Verdichter eine
Zwischenkühlung vorzusehen. Die Kühlung der verdichteten Luft ist notwendig, da ab diesem
Druck die Lufttemperatur die für Membranbefeuchter zulässige Temperatur von rund 120 °C
überschreitet [108]. Ab einem Betriebsdruck von rund 3 bar ist die Enthalpie des trockenen
Luftmassenstroms theoretisch groß genug, um die Verdampfungsenthalpie zur Befeuchtung der
Luft bereit zu stellen. Oberhalb dieses Drucks kann mittels eines Zerstäubers die zur kathodenseitigen
Befeuchtung benötigte Wassermenge in den Luftmassenstrom eingespritzt werden.
8.4 Zusammenfassung
Die vorliegende Systembetrachtung untersucht für unterschiedliche Systemkonzepte den Einfluss
einer Änderung des Betriebsdrucks auf die Systemleistung. Die Systemkonzepte unterscheiden
sich in der kathodenseitigen Befeuchtungsart. Unterschieden wird zwischen Pervaporation,
Gaspermeation und Wassereinspritzung.
Es zeigt sich, dass mit steigendem Betriebsdruck die aufzuwendende Verdichterleistung stärker
zunimmt als die Brennstoffzellenleistung. Aus diesem Grund sinkt die Systemleistung mit steigendem
Betriebsdruck. Die maximale Systemleistung liegt bei einem Betriebsdruck von 1,1 bar
vor. Sie beträgt in diesem Punkt rund 4,6 kW und liegt um rund 9 % über der Leistung eines
Systems mit 2 bar Betriebsdruck.
Die geforderte relative Feuchte der Reaktandengase am Eintritt in den Zellstapel beträgt 80 %.
Für die unterschiedlichen Befeuchtungskonzepte werden Betriebsdruckbereiche identifiziert, in
denen unter dem jeweils vorliegenden Systemaufbau ein wasserautarker Betrieb möglich ist.
Unter den getroffenen Annahmen ist unterhalb eines Betriebsdrucks von 1,8 bar ein wasserautarker
Betrieb nur durch die Verwendung eines Gaspermeationsbefeuchters zu erzielen. Ab
einem Betriebsdruck von 1,8 bar kann die Befeuchtung mittels Pervaporation realisiert werden.
Oberhalb eines Betriebsdrucks von rund 3 bar kann die Befeuchtung unter Verwendung eines
Zerstäubers erfolgen, der flüssiges Wasser in das trockene Kathodengas einspritzt. Die
Systemvariante mit einer über Zerstäuber realisierten Befeuchtung erscheint allerdings aufgrund
der großen Verlustleistung durch den Verdichter als ungeeignet.