View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Quasi eindimensionaler (Q1D-) Modellansatz 25
Die in Bild 2.9 dargestellte logarithmische Regressionsfunktion liefert den Wert des in Gleichung
2.20 aufgeführten Faktors a =9,28 cm³/mol. Unter den vorherrschenden Betriebsbedingungen
und einer angenommenen Katalysatorschichtdicke von 10 µm kann daraus das Verhältnis
i / =3,34*10 4 A/mol grob abgeschätzt werden.
ex
c Ref
16,0
14,0
Gebiet hoher Überspannungen
80%
12,0
Gebiet geringer Überspannungen
iG0 [A/cm²]
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
10%
5%
21%
40%
Ausgleichsgeraden
x O2 =100%
0,0
0,E+00 1,E-05 2,E-05 3,E-05 4,E-05 5,E-05 6,E-05
Konzentration Sauerstoff (Eintritt, bef.) [mol/cm³]
Bild 2.10: Abhängigkeit der Grenzstromdichten von der Sauerstoffkonzentration am Zelleintritt
In Bild 2.10 sind die Grenzstromdichten der einzelnen Spannungs-Stromdichte-Kennlinien für
hohe und niedrige Diffusionsüberspannungen als Funktion der Sauerstoffkonzentration des
O 2
befeuchteten Kathodengases am Zelleintritt aufgetragen. Für Sauerstoffkonzentrationen oberhalb
von x =80 % sind die ermittelten Grenzstromdichten nicht mehr belastbar, da die Messdaten
nicht den diffusionskontrollierten Bereich abdecken.
Beide Grenzstromdichten steigen mit größer werdender Sauerstoffkonzentration an und zeigen
nahezu den erwarteten linearen Verlauf. Aufgrund des höheren Massentransferkoeffizienten in
den Gebieten geringer Überspannungen ist der Verlauf der Grenzstromdichte mit steigender
Sauerstoffkonzentration für dieses Gebiet steiler. Die Differenz zwischen den beiden Grenzstromdichten
nimmt somit mit steigender Sauerstoffkonzentration zu. Dies hat zur Folge, dass
die beiden Kennlinien der Gebiete hoher und geringer Überspannungen bei hohen Sauerstoffkonzentrationen
weiter auseinander liegen. Der Übergang vom Ohmschen in den diffusionskontrollierten
Bereich der resultierenden Kurven verläuft daher bei hohen Sauerstoffkonzentrationen
flacher, wie Bild 2.8 zeigt.
An weiteren Messungen an der Messzelle wird überprüft, inwieweit sich die aus der Modellierung
der U-i-Kurven bei unterschiedlichen Gaszusammensetzungen gewonnen Parameter auf
andere Betriebsbedingungen übertragen lassen.
Bei den folgenden Messungen entspricht die Kathodengaszusammensetzung der von Luft
( x
O 2
=21 %). Der Betriebsdruck wird von 2 bar auf 3 bar erhöht. Der kathodenseitige Stöchiometriekoeffizient
variiert für die gemessenen U-i-Kurven zwischen λ =1,5 und λ =2,5. Für die
Modellierung der neuen Messkurven wird wiederum der aus Abschaltmessungen ermittelte
Wert für den Flächenwiderstand R ~ angesetzt. Die Tafel-Steigung ist keine Funktion des Drucks
O 2
O 2