View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.4 Zusammenfassung 37
800
750
Zellspannung [mV]
700
650
600
550
Basisfall (Betriebspunkt 1)
2,5 bar
2 bar
empfohlener
maximaler Umsatz
500
1,5 bar
450
400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sauerstoffumsatz [%]
Bild 2.19: Zellspannung als Funktion des Kathodengasumsatzes für unterschiedliche Betriebsdrücke bei
konstanter Stromdichte (i=0,44 A/cm²)
2.4 Zusammenfassung
Aufbauend auf einem aus der Literatur bekannten Modellansatz [60] wird ein neuer, quasi eindimensionaler
(Q1D-) Modellansatz zur Berechnung von Spannungs-Stromdichte-Kennlinien
einer PEFC abgeleitet. Der Q1D-Ansatz berücksichtigt, dass sich die resultierende Spannungs-
Stromdichte-Kennlinie einer Brennstoffzelle aufgrund verschiedener Einflussfaktoren aus unterschiedlichen
lokalen U-i-Kennlinien zusammensetzt. Der Ansatz basiert auf der Annahme, dass
die resultierende U-i-Kennlinie aus zwei lokalen Spannungs-Stromdichte-Charakteristiken generiert
wird. Eine dieser Charakteristiken repräsentiert ein Gebiet mit hohen Überspannungen, die
andere ein Gebiet mit geringen Überspannungen. Die resultierende U-i-Kennlinie berechnet
sich aus dem arithmetischen Mittel der isopotentialen Stromdichten beider Einzelkurven. Die in
dem Ansatz berücksichtigten Überspannungen setzen sich aus Aktivierungs-, Konzentrationsund
Diffusionsüberspannungen an der Kathode sowie Ohmschen Überspannungen zusammen.
Der Modellansatz wird anhand von experimentellen Messdaten überprüft. Systematisch werden
die Parameter aus dem Modellansatz auf einen aus mehreren Spannungs-Stromdichte-Kennlinien
bestehenden Messdatensatz angepasst. Dabei zeigt sich, dass die Messdaten mittels des
Q1D-Ansatzes mit hoher Genauigkeit auch im diffusionskontrollierten Bereich der U-i-Kennlinien
beschrieben werden können. Bei konstanter Betriebstemperatur und Reaktandenbefeuchtung
am Zelleintritt werden durch die systematische Applikation des Ansatzes auf einen weiteren
Messdatensatz die funktionalen Abhängigkeiten der Modellparameter vom Betriebsdruck er-