View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

18 2 Leistungsmodellierung einer PEFC
x
nɺ
O2
O
= ⋅
2
nɺ
O
+ nɺ
2 N2
100%
Gl. 2.18
nɺ , O
nɺ
2 N 2
bezeichnen den Sauerstoff- und Stickstoffmolenstrom am Zelleintritt. Die Kathodengaszusammensetzung
variiert zwischen x
O 2
= 5%
und x
O 2
= 100%
.
Bei allen Messungen beträgt der Betriebsdruck 2 bar, die Betriebstemperatur 70 °C und der
anodenseitige Stöchiometriekoeffizient λ =1,1. Die Reaktandengase sind vollständig befeuchtet.
Der Aufbau des Teststands ist in Kapitel 3.2.2 näher beschrieben.
H 2
Die in obigem Ansatz in Gleichung 2.17 aufgeführten Parameter, die auf die experimentellen
Daten angepasst werden, sind die Tafel-Steigung b , der Faktor − ln k0
, die Grenzstromdichte
i
G0
und die charakteristische Stromdichte i ∗
. Bezogen auf den Standarddruck von 1 bar beträgt
die reversible Zellspannung für die vorliegenden Bedingungen 1,18 V. Der Einfluss des von
dem Standarddruck abweichenden Sauerstoffpartialdrucks wird über den Faktor − ln k0
berücksichtigt.
Der Flächenwiderstand R ~ wird mittels Abschaltmessungen (siehe Kapitel 3.6) während
der Versuche direkt experimentell ermittelt. In allen Experimenten sind die Stöchiometriekoeffizienten
des Anoden- und Kathodengases konstant. Nach Gleichung 2.15 ist der kathodenseitige
Faktor f
λ
=1,39 bekannt.
Von der Sauerstoffkonzentration abhängige Parameter sind der Faktor − ln k0
sowie die Grenzstromdichte
i
G0
(siehe Tabelle 2.1). Die Tafel-Steigung b und die charakteristische Stromdichte
i hängen nicht von der Sauerstoffkonzentration ab und sind daher bei der Berechnung der
∗
unterschiedlichen Spannungs-Stromdichte-Kennlinien konstant.
Die Berechnung der Parameter erfolgt, indem für die verschiedenen U-i-Kurven die Summe aus
den Quadraten der Differenzen zwischen experimentellen und theoretischen Werten mit Hilfe
einer Lösungsroutine minimiert werden.
Die berechneten Werte für die einzelnen Parameter sind in Tabelle 2.2 aufgeführt. Die Tafel-
Steigung b =60 mV (138 mV/dec) liegt in einem für PEFC typischen Bereich. Die berechnete
charakteristische Stromdichte beträgt i
∗
=3,6 A/cm². Bei einem Sauerstoffmolenbruch von
xO 2
≤21 % ist die Stromdichte der Zelle kleiner als die charakteristische Stromdichte
( f λ
⋅i
< i∗
). Bei dieser Betriebsführung ist von einem gleichmäßigen Reaktionsumsatz in der
Katalysatorschicht auszugehen. Für xO 2
> 21 % arbeitet die Zelle in dem intermediären Stromdichteregime
( f λ
⋅i
≅ i∗
). Der Übergang von dem Regime geringer ( f λ
⋅i
> i ) Stromdichte ist verbunden mit einer Zunahme der Aktivierungsüberspannung.
( f λ ∗
Diesem unerwünschten Effekt kann zuvorgekommen werden, indem die charakteristische
Stromdichte erhöht wird. Dies gelingt durch eine verbesserte Protonenleitfähigkeit, durch eine
verringerte Katalysatorschichtdicke oder eine erhöhte Tafel-Steigung (siehe Gleichung 2.10).
Die berechneten Werte für den von der Sauerstoffkonzentration abhängigen Faktor − ln k0
sowie das Verhältnis f λ
/ i G 0
zeigen einen deutlichen Trend. Wie aus Gleichung 2.14 ersichtlich,
werden beide Parameter mit zunehmender Sauerstoffkonzentration kleiner. Bei dem Experiment
mit einem Sauerstoffmolenbruch von x =100 % wird nicht der diffusionskontrollierte
Bereich der Spannungs-Stromdichte-Kennlinie erreicht. Die berechnete Grenzstromdichte ist in
diesem Fall für physikalische Interpretationen ungeeignet.
O 2