View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

34 2 Leistungsmodellierung einer PEFC
leistung durch eine verringerte Tafel-Steigung insbesondere im Teillastbetrieb beträchtlich gesteigert
werden.
Der Einfluss der charakteristischen Stromdichte ist in den untersuchten Betriebspunkten
vernachlässigbar. Die Änderung der Zellleistung durch die Variation von i
∗
ist für beide Betriebspunkte
kleiner als 3 %. Selbst bei der Verringerung um 10 % ist die charakteristische
Stromdichte circa drei mal so groß wie die maximale untersuchte Stromdichte. Demnach ist
bereits in diesem Fall die Überspannung in der gesamten Katalysatorschicht nahezu konstant,
so dass die Leistung der Zelle durch eine Erhöhung der charakteristischen Stromdichte nur
marginal beeinflusst wird.
Starke Auswirkung auf die Zellleistung hat die Variation des Faktors − ln k0
. Bei Variation um
± 10 % ändert sich die Zellleistung im Betriebspunkt (1) um ± 35 % beziehungsweise im Betriebspunkt
(2) um ± 11 %. Dies entspricht einer absoluten Änderung von circa ± 110 mW/cm²
beziehungsweise circa ± 60 mW/cm². Die Zellleistung erhöht sich durch eine Verringerung des
Faktors − ln k0
. Beispielsweise können eine vergrößerte Katalysatorschichtdicke und Austauschstromdichte
diese Verringerung von − ln k0
bewirken. Die Austauschstromdichte wird
wiederum durch eine vergrößerte Katalysatoroberfläche und –aktivität begünstigt.
Die Variation des Zellwiderstands beeinflusst die Leistung bei beiden Betriebspunkten weniger
als die Tafel-Steigung oder der Faktor − ln k0
(< ± 6 %). Im Gegensatz zu den anderen Einflussgrößen
lässt sich der Ohmsche Widerstand aber häufig mit geringem konstruktivem und
fertigungstechnischem Aufwand senken. Zum Beispiel können ein erhöhter Anpressdruck ebenso
wie eine dünne Goldbeschichtung bei metallischen Bipolarplatten die Kontaktwiderstände
maßgeblich verringern.
Beide Betriebspunkte liegen nicht im diffusionskontrollierten Bereich der Spannungs-Stromdichte-Kennlinie.
Daher ist der Einfluss der Grenzstromdichte auf die Zellleistung gering. Die
flächenspezifische Leistung ändert sich im Betriebspunkt (1) um weniger als ± 2 %, im Betriebspunkt
(2) um ± 4 %. Die gewünschte hohe Grenzstromdichte wird erreicht durch eine Diffusionsschicht
geringer Dicke in Kombination mit einem großen effektiven Sauerstoffdiffusionskoeffizienten.
Produktwasser, das sich in der Katalysator- und Diffusionsschicht anreichert, behindert
die Sauerstoffdiffusion. Ein Ansatz, das Produktwasser wirkungsvoller aus diesen Schichten
auszutragen, besteht darin, die Schichten hydrophober auszuführen.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die maximalen Änderungen der Zellleistung für den Betriebspunkt
mit der höheren Zellspannung prozentual und absolut größer sind als im Betriebspunkt
der maximalen Zellleistung. Bei beiden Betriebspunkten eröffnen eine verringerte Tafel-
Steigung und ein kleinerer Faktor − ln k0
das größte Potential zur Steigerung der Zellleistung.
Eine effektive Nutzung dieses Potentials ergibt sich durch eine Vergrößerung der aktiven Katalysatoroberfläche
und eine Verbesserung der Katalysatoraktivität.
2.3.3 Einfluss ausgewählter Betriebsparameter
Im Folgenden wird untersucht, wie sich für den Basisfall die Zellspannung als Funktion des
Sauerstoffumsatzes im Kathodengas verhält. Der Sauerstoffumsatz ist definiert als der