View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

68 4 Auswertung der Messergebnisse
4.2.4 Reaktandenbefeuchtung
Die Messungen zur Untersuchung des Einflusses der Reaktandenbefeuchtung auf die Brennstoffzellenleistung
erfolgen an einem aus drei Zellen bestehenden Short-Stack. In Bild 4.6 ist für
unterschiedliche Befeuchtungsgrade die über alle drei Zellen gemittelte flächenspezifische
Leistung für ausgewählte Stromdichten aufgetragen. Die flächenspezifischen Leistungen der
einzelnen Zellen weichen untereinander um weniger als ein Prozent ab. Dieses homogene
Verhalten der Zellen deutet auf eine gute Strömungsverteilung in dem Short-Stack hin. Unter
konstanten Referenzbedingungen wird die relative Feuchte der in die Zelle eintretenden Gase
auf der Anode von ϕ
H 2
=15 - 100 % ( T
Tau,H 2
=33 - 70 °C) und auf der Kathode von ϕ
Luft
=60 -
100 % ( T
Tau , Luft
=33 - 70 °C) variiert.
Bei einer Stromdichte von 0,4 A/cm² hat die Befeuchtung nur einen marginalen Einfluss auf die
flächenspezifische Leistung. Der maximale Unterschied zwischen den untersuchten Befeuchtungsvariationen
beträgt 6 mW/cm². Die größten Leistungseinbußen stellen sich unter der
maximalen untersuchten Stromdichte von 1 A/cm² ein. Eine auf 15 % gesenkte relative Feuchte
des Wasserstoff führt im Vergleich zu der Referenzbefeuchtung von ϕ =100 % zu einer um
34 mW/cm², entsprechend 6 %, verringerten flächenspezifischen Leistung. Außerdem zeigt
sich, dass eine Verringerung der relativen Feuchte des Wasserstoff auf 50 % nahezu die
gleiche flächenspezifische Leistung wie eine Verringerung der Luftfeuchte auf 80 % aufweist.
Abschaltmessungen zeigen, dass der Widerstand mit abnehmender Reaktandenbefeuchtung
aufgrund der verringerten ionischen Leitfähigkeit der Membran ansteigt. Der Flächenwiderstand
unterscheidet sich im Fall der maximalen zur minimalen Befeuchtung um ungefähr 0,03 Ωcm².
Demnach können die Unterschiede in der Leistung direkt auf die erhöhten Ohmschen Überspannungen
zurückgeführt werden.
0,55
H 2
Betriebsparameter:
flächenspez. Leistung (gemittelt)
[W/cm²]
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
i=0,4 A/cm²
i=0,7 A/cm²
i=1,0 A/cm²
100 / 100 50 / 100 15 / 100 100 / 80 100 / 60 50 / 80
rel. Feuchte Anode / Kathode [%]
Short-Stack: 3 Zellen
aktive Fläche pro Zelle: 244 cm²
Flow-Field-Struktur:
Anode: Mäander
Kathode: Mäander
MEA (Katalysator Platin):
Belegung Anode: 0,4 mg/cm²
Belegung Kathode: 0,6 mg/cm²
Druck: 2 bar (abs.)
Stöchiometriefaktor:
Anode: λ = 1,1
Kathode: λ = 2
relative Feuchte (Zelleintritt):
Anode: 15-100%
Kathode: 60- 100%
Zelltemperatur: 70 °C
Flächenwiderstand pro Zelle:
0,14-0,17 Ωcm²
Bild 4.6: Abhängigkeit der flächenspezifischen Leistung von der Reaktandenbefeuchtung