View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

4.2 Variation von Betriebsparametern 65
metriekoeffizient variiert in dem Bereich λ
Luft
=1,5 - 4. Über einen weiten Lastbereich ist bei gleicher
Stromdichte der Betrag der Abweichung der Zellspannung von dem Wert unter Referenzdurchfluss
für λ
Luft
=1,5 und λ
Luft
=4 ungefähr gleich groß. Bei einer Stromdichte von 1 A/cm²
liegt die Spannung der Kennlinie λ
Luft
=1,5 um 27 mV unter und die der Kennlinie λ
Luft
=4 um
26 mV über der Spannung von 532 mV des Referenzdurchflusses. Erst bei Stromdichten über
1 A/cm² fällt die Spannung der Kennlinie λ
Luft
=1,5 stärker ab, da dort die Kennlinie in den
diffusionskontrollierten Bereich eintritt. Der im Vergleich zu den Messungen aus Bild 4.3 um
circa 0,04 Ωcm² höhere Flächenwiderstand ist auf die Verwendung unterschiedlicher Graphit-
Bipolarplattenwerkstoffe zurückzuführen. Unter gleichen Betriebsbedingungen sind die iRkorrigierten
Kennlinien aus Bild 2.13 und Bild 4.3 deckungsgleich.
Die bei hohen Umsätzen vorherrschende geringere Strömungsgeschwindigkeit der Reaktanden
erschwert prinzipiell den Austrag von flüssigem Produktwasser. Jedoch konnte selbst bei dem
geringsten Stöchiometriekoeffizienten λ =1,5 ein durch Wasseransammlungen in der Strö-
Luft
mungsstruktur verursachtes instabiles Betriebsverhalten nicht beobachtet werden.
Anodenseitig ist ein sogenannter Dead-End-Betrieb der Brennstoffzelle, das heißt ein Betrieb
bei vollständigem Wasserstoffumsatz, denkbar. Diese Art der Betriebsführung erfordert einen
Spülmechanismus, der in zeitlichen Abständen Gasverunreinigungen und Wasseransammlungen
aus der Zelle abführt. Bei der vorliegenden Größe der Zelle würde diese Betriebsführung zu
einem stark instationären Betriebsverhalten führen. Daher wird auf der Anodenseite ein
Wasserstoffumsatz von 91 % gewählt. Dies entspricht einem Stöchiometriekoeffizienten von
λ =1,1. Eine weitere Steigerung des anodenseitigen Durchflusses führt nur zu einer margina-
H 2
len Leistungssteigerung.
4.2.2 Druck
Ebenso wie die Wahl des optimierten Durchflusses ist die Frage nach dem Betriebsdruck nur
durch eine Analyse des gesamten Brennstoffzellensystems zu klären. In einer unter Druck betriebenen
Brennstoffzelle erhöht sich aufgrund der größeren Sauerstoffkonzentration die Zellleistung.
Dagegen steigen auch die für die Kompression aufzubringende Leistung, die Kosten
und die Bauteilgröße der benötigten Peripherieaggregate. Darüber hinaus können andere Faktoren
die Wahl des Betriebsdrucks beeinflussen. So ist der Druck beispielsweise eng mit dem
Wassermanagement des Systems verknüpft. Bezüglich der Reaktandenbefeuchtung erweisen
sich höhere Drücke als vorteilhaft, da weniger Wasser benötigt wird, um die gleiche relative
Feuchte der Gase zu erreichen.
In Bild 2.12, Kapitel 2.2.2, sind bereits die bei Variation des Betriebsdruckes resultierenden
Spannungs-Stromdichte-Kennlinien vorgestellt worden. Unter Beibehaltung der anderen Referenzbedingungen
variiert der Betriebsdruck in dem Bereich von 1,5 bis 2,5 bar. Zum Schutz der
35 µm dünnen Membran vor mechanischer Überbeanspruchung herrscht auf der Anoden- und
Kathodenseite jeweils der gleiche Betriebsdruck. Aufgrund der Druckabhängigkeit der Konzentrationsüberspannungen
sind die Spannungs-Stromdichte-Kennlinien nahezu über den
gesamten Lastbereich vertikal zueinander verschoben. Bezogen auf den Referenzdruck von