View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

30 2 Leistungsmodellierung einer PEFC
Die Abhängigkeit von der Sauerstoffeintrittskonzentration des Parameters − ln k0
und der
Grenzstromdichten kann wiederum mit Gleichung 2.20 beziehungsweise durch entsprechende
Regressionsfunktionen beschrieben werden. Diese Abhängigkeiten sind unter Variation des
Betriebsdrucks und nicht wie im vorherigen Kapitel unter Variation des Sauerstoffmolenbruchs
ermittelt worden. Dies erlaubt zur Modellierung der Kennlinien unter einem anderen Betriebsdruck
und einer anderen Durchflussmenge des Kathodengases zwischen den Messpunkten zu
interpolieren. Voraussetzung dabei ist, dass die trockene Kathodengaszusammensetzung, die
Temperatur und die Eintrittsfeuchte der Reaktandengase konstant sind.
Die obigen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass zur Bestimmung der Parameterabhängigkeiten
nur rund drei bis vier Messungen bei unterschiedlichen Betriebsdrücken benötigt werden.
Diese Abhängigkeiten erlauben, die Leistungscharakteristik der Zelle unter Variation der
Durchflussmenge des Kathodengases und des Betriebsdrucks zumindest im technisch relevanten
Bereich vorherzusagen. Unter Verwendung des hier vorgestellten quasi eindimensionalen
Modellansatzes kann demnach die Anzahl der zur Leistungscharakterisierung einer Zelle
benötigten Experimente deutlich verringert werden.
2.3 Identifikation von Optimierungspotentialen bezüglich der Zellleistung
Dieses Kapitel analysiert anhand eines zuvor definierten Basisfalls den Einfluss der Modell- und
Betriebsparameter auf das Leistungsverhalten der Brennstoffzelle. Die einzelnen Verlustterme
werden getrennt voneinander quantifiziert. Die Auswirkung auf das Leistungsverhalten bei
Variation der Einflussgrößen wird mittels einer Sensitivitätsanalyse bewertet. Aus den Ergebnissen
werden Maßnahmen zur Steigerung der Leistung abgeleitet und Betriebsparameterbereiche
zur optimierten Betriebsführung identifiziert.
2.3.1 Definition eines Basisfalls
Zur Bewertung des Einflusses der Modell- und Betriebsparameter auf das Leistungsverhalten
wird ein Basisfall definiert. Der gewählte Basisfall entspricht der in Kapitel 2.2 vorgestellten
Messung an der Zelle mit einer aktiven Flächen von 244 cm² und ist somit für die Auswahl
geeigneter Betriebspunkte eines 5 kW PEFC-Stacks von Interesse. Der dieser Messung zugrunde
liegende Betriebsdruck beträgt 2 bar, der kathodenseitige Stöchiometriekoeffizient
λ
O 2
=2 ( f
λ
=1,39) und die Betriebstemperatur 70 °C. Die Reaktandengase sind vollständig befeuchtet,
das Kathodengas ist Luft. Die unter diesen Betriebsbedingungen mittels des Q1D-
Ansatzes ermittelten Modellparameter sind in Tabelle 2.5 aufgeführt.