View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.3 Identifikation von Optimierungspotentialen bezüglich der Zellleistung 35
Reziprokwert des Stöchiometriekoeffizienten. Zum Beispiel entspricht der Stöchiometriekoeffizient
λ=2 einem Reaktandenumsatz von 50 %.
Große Stoffströme und hohe Betriebsdrücke bedingen eine große Verlustleistung durch die
Peripherieaggregate, zu denen beispielsweise Verdichter und Pumpe zählen. Das Wassermanagement
beziehungsweise der wasserautarke Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist ferner
für große Stoffströme, die vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet werden müssen,
aufwendig. Für den Betrieb einer Brennstoffzelle wird daher ein Betriebspunkt mit möglichst
hohem Umsatz bei gleichzeitig geringem Betriebsdruck angestrebt. Ist die Reaktandenverteilung
in einem Zellstapel inhomogen, besteht bei einem hohen Umsatz die Gefahr, dass
einzelne Zellen im diffusionskontrollierten Bereich arbeiten. Aufgrund der in diesen Zellen
auftretenden hohen Überspannungen kann die Gesamtleistung des Stapels deutlich verringert
sein und eine beschleunigte Alterung der Membran-Elektroden-Einheit auftreten [62, 63]. Die
geringere Strömungsgeschwindigkeit der Reaktanden bei hohen Umsätzen erschwert den Austrag
von flüssigem Produktwasser. Das flüssige Wasser kann für die Zelle schädliche Verunreinigungen
aus den verwendeten Zellkomponenten auswaschen und diese in der Zelle verteilen.
Dies kann beispielsweise zu einer Verringerung der Hydrophobizität der Diffusionsschicht
oder der ionischen Leitfähigkeit der Membran führen. Blockiert das flüssige Wasser die
Strömungsstrukturen, resultiert dies in einer Verringerung der elektrochemisch aktiven Fläche
und somit in Leistungsverlusten.
800
750
Zellspannung [mV]
700
650
600
550
500
Basisfall (Betriebspunkt 1)
0,3 A/cm²
0,44 A/cm²
empfohlener
maximaler Umsatz
450
0,9 A/cm²
400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sauerstoffumsatz [%]
Bild 2.18: Zellspannung als Funktion des Kathodengasumsatzes bei konstantem Druck von p=2 bar für
unterschiedliche Stromdichten
Für den Basisfall ist in Bild 2.18 für drei verschiedene Stromdichten die Abhängigkeit der
Zellspannung vom Umsatz des Sauerstoffs aufgetragen. Arbeitet die Brennstoffzelle im diffusionskontrollierten
Bereich ihrer Spannungs-Stromdichte-Charakteristik, fällt bei konstanter
Stromdichte mit steigendem Umsatz die Zellspannung rapide ab. Dieser Arbeitsbereich ist im