Das elektrische Betriebsverhalten eines PEM - Institut für Elektrische ...

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