View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.1 Analytischer eindimensionaler Modellansatz 19
Tabelle 2.2: Berechnete Modellparameter für unterschiedliche Kathodengaszusammensetzungen
Sauerstoffmolenbruch (bez. auf trockenes Kathodengas)
5 % 10 % 21 % 40 % 80 % 100 %
b 60 60 60 60 60 60 [mV]
i
∗
3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 [A/cm²]
f
λ 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 [-]
R ~ (aus Exp.) 0,19 0,19 0,19 0,18 0,18 0,14 [Ωcm²]
− ln k 0 9,57 8,36 7,49 7,03 6,69 6,20 [-]
f / i
G0
1,98 1,19 0,71 0,47 0,4 0 [1/(A/cm²)]
λ
Spannung [mV]
1000 Betriebsparameter:
900
aktive Fläche: 18 cm²
Flow-Field-Struktur:
800
Anode: Mäander
700
Kathode: Mäander
MEA (Katalysator Platin):
600
Belegung Anode: 0,4 mg/cm²
Belegung Kathode: 0,6 mg/cm²
500
Druck: 2 bar (abs.)
Stöchiometriefaktor:
400
Anode: λ = 1,1
Kathode: λ = 2 (Gaszusammensetzung
variiert)
300
relative Feuchte (Zelleintritt):
Anode: 100%
200
Kathode: 100%
x
O2
=5% 10% 21% 40% 80% 100%
Zelltemperatur: 70 °C
100
Flächenwiderstand:
0
0,14-0,19 Ωcm²
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
Stromdichte [A/cm 2 ]
Bild 2.2: Vergleich zwischen Messdaten und Simulation (Symbol: Experiment, Linie: Modell)
Die mit den Parametern aus Tabelle 2.2 berechneten Simulationsergebnisse sind in Bild 2.2
den experimentellen Messdaten gegenübergestellt. Der gewählte Modellansatz bildet im
Bereich hoher Sauerstoffeintrittskonzentrationen die Messdaten gut ab. Der Korrelationskoeffizient
für die Kennlinien mit einem Sauerstoffmolenbruch ≥40 % liegt über 0,999. Allerdings zeigt
sich bei geringen Sauerstoffkonzentrationen und hohen Stromdichten, dass die simulierten
O 2
Kennlinien nur unbefriedigend dem gemessenen Verlauf folgen. Bei der Kennlinie mit dem
Sauerstoffmolenbruch x =5 % tritt die größte Abweichung zwischen berechnetem und experimentellem
Wert auf. In diesem Fall beträgt der Korrelationskoeffizient 0,988. Bei gleicher Zellspannung
beträgt die maximale Differenz aus berechneter und gemessener Stromdichte
55 mA/cm². Dies entspricht einer prozentualen Abweichung von 33 %. Die mittlere Abweichung
der drei Kennlinien mit geringer Sauerstoffkonzentration ( x =5 %, 10 %, 21 %) beträgt
28 mA/cm². In Bild 2.3 ist zu erkennen, dass der Übergang von dem nahezu linearen Bereich,
O 2