View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

26 2 Leistungsmodellierung einer PEFC
oder der Durchflussmenge (siehe Gleichung 2.10). Sie wird daher aus den vorherigen
Modellierungsergebnissen mit b =56 mV übernommen. Wie aus Gleichung 2.14 hervorgeht,
sind der Faktor − ln k0
sowie die Grenzstromdichte i
G0
keine Funktion der Durchflussmenge.
Wird also bei konstantem Druck und konstanter Sauerstoffeintrittskonzentration der Stöchiometriekoeffizient
geändert, bleiben der Faktor − ln k0
und die Grenzstromdichte i
G0
konstant.
Aufgrund der Druckänderung von 2 bar auf 3 bar ändert sich die Sauerstoffeintrittskonzentration
in dem gesättigten Kathodengas von circa 1,24e-5 mol/cm³ auf circa 1,97e-5 mol/cm³. Mit Hilfe
der nach Gleichung 2.20 ermittelten Regressionsfunktion berechnet sich der Wert des Faktors
− ln k 0
für den neuen Druck von 3 bar zu − ln k0
=8,6.
Nach Gleichung 2.14 ist die Grenzstromdichte proportional zu der Sauerstoffkonzentration und
dem effektiven Diffusionskoeffizienten. Lokale zweidimensionale Effekte wie beispielsweise Ansammlungen
flüssigen Wassers in der Diffusions- oder Katalysatorschicht beeinflussen den
effektiven Diffusionskoeffizienten entscheidend. Der Anteil des Wassers im System ist abhängig
von dem vorherrschenden Betriebsdruck. Es ist daher davon auszugehen, dass die bei einem
Betriebsdruck von 2 bar für unterschiedliche Sauerstoffeintrittskonzentrationen ermittelten Abhängigkeiten
der Grenzstromdichten nicht direkt auf andere Betriebsdrücke übertragbar sind.
Bei Variation des Betriebsdrucks lassen sich die Grenzstromdichten somit nicht aus den in Bild
2.10 gezeigten Verläufen ableiten. Aus diesem Grund werden die Grenzstromdichten so berechnet,
dass die Abweichung zwischen den modellierten Spannungs-Stromdichte-Kennlinien
und den Messdaten minimiert ist. Gleichzeitig sind für die Kennlinien mit unterschiedlichem
kathodenseitigen Stöchiometriekoeffizienten die Grenzstromdichten der Gebiete hoher und
niedriger Überspannungen gleich groß. Die einzige sich für die Kennlinien bei unterschiedlichen
Stöchiometriekoeffizienten ändernde Einflussgröße ist der Faktor f
λ
. Dieser berechnet sich für
die unterschiedlichen Durchflüsse nach Gleichung 2.15.
Spannung [mV]
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
lambda_O2= 1,5
lambda_O2= 2
lambda_O2= 2,5
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Stromdichte [A/cm²]
Betriebsparameter:
aktive Fläche: 18 cm²
Flow-Field-Struktur:
Anode: Mäander
Kathode: Mäander
MEA (Katalysator Platin):
Belegung Anode: 0,4 mg/cm²
Belegung Kathode: 0,6 mg/cm²
Druck: 3 bar (abs.)
Stöchiometriefaktor:
Anode: λ = 1,1
Kathode: λ = 1,5 - 2,5
relative Feuchte (Zelleintritt):
Anode: 100%
Kathode: 100%
Zelltemperatur: 70 °C
Flächenwiderstand: 0,16 Ωcm²
Bild 2.11: Vergleich der Messwerte mit den Q1D-Simulationsrechnungen für einen Betriebsdruck von
3 bar (Symbol: Experiment, Linie: Q1D-Modell)