Das elektrische Betriebsverhalten eines PEM - Institut für Elektrische ...
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Der Spannungswirkungsgrad η U<br />
beschreibt das Verhältnis der Zellspannung am Betriebspunkt<br />
U zur jeweiligen reversiblen Zellspannung U<br />
rev<br />
:<br />
U<br />
η<br />
U<br />
= . (8)<br />
U<br />
rev<br />
Wie Abbildung 3 veranschaulicht, ergibt sich der Spannungsverlust ∆ U aus der Überlagerung<br />
der reversiblen Spannungsdifferenz ∆ U<br />
rev<br />
, der Durchtrittsspannung ∆ U<br />
D<br />
, der Widerstandsspannung<br />
∆U<br />
R<br />
und der Konzentrationsspannung ∆ U<br />
Diff<br />
:<br />
∆ U = ∆U<br />
+ ∆U<br />
+ ∆U<br />
+ ∆U<br />
. (9)<br />
ref<br />
D<br />
R<br />
Diff<br />
Abbildung 2 Vergleich des Carnot- mit dem idealen Brennstoffzellen-Wirkungsgrad (Quelle:<br />
[3]).<br />
Zunächst fällt bereits im stromlosen Zustand auf, dass das messbare Ruhepotenzial U<br />
R<br />
der<br />
Brennstoffzelle deutlich unterhalb der reversiblen Zellspannung von 1.23 V liegt. Diese Abweichung<br />
wird häufig auf die Bildung <strong>eines</strong> Mischpotenzials an der Kathodenseite zurückgeführt.<br />
<strong>Das</strong> Mischpotenzial bildet sich aus, da an der Kathode gleichzeitig Sauerstoff reduziert<br />
und Platin oxidiert wird. Darüber hinaus wird auch die Oxidation von Verunreinigungen <strong>für</strong><br />
die Ausbildung des Mischpotenzials verantwortlich gemacht.<br />
Bei einer zunächst leichten Belastung der Brennstoffzelle treten bei sehr geringen Stromdichten<br />
weitere Spannungsverluste ∆ U<br />
D<br />
auf, die aufgrund des Durchtritts der Elektronen<br />
durch die Phasengrenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode verursacht werden. Steigert<br />
man die Stromstärke weiter, wird der Verlauf der Kennlinie zunehmend durch ohmsche Verluste<br />
∆ U<br />
R<br />
bestimmt, weshalb in diesem Bereich die Korrelation zwischen Spannung und<br />
Strom entsprechend dem ohmschen Gesetz nahezu linear ist.<br />
Bei hohen Strömen tritt dann das Abknicken der Kennlinie immer dann auf, wenn die Nachführung<br />
der Edukte 2 mit kleinerer Geschwindigkeit als die elektrochemische Reaktion erfolgt.<br />
Über der Elektrode stellt sich dadurch eine geringere Konzentration ein, was sich als Span-<br />
2 Ausgangsstoffe<br />
8