In der vorangegangenen Application Note wurde gezeigt, dass Brennstoffzellen vielversprechende Energiequellen sind, da sie eine hocheffiziente und umweltfreundliche Lösung für alternative Energien bieten. In den letzten Jahren wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um ein besseres Verständnis der Faktoren zu erlangen, die die Leistung einer Brennstoffzelle beeinflussen.
In dieser Application Note wird die Verwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) zur Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellen demonstriert. Es wird gezeigt, dass die EIS ein leistungsstarkes Diagnosetool ist, für die Bestimmung der folgenden Faktoren, die die Leistung einer PEM-Brennstoffzelle beeinflussen können:
- Zusammensetzung und Struktur der Elektrode
- Membraneigenschaften
- Betriebsparameter wie Zelltemperatur, Befeuchtung, Gaszusammensetzung und Druck
Der Hauptvorteil der EIS als Diagnosetool besteht in seiner Möglichkeit, in der Frequenzdomäne die einzelnen Beiträge der verschiedenen Faktoren aufzulösen, welche die Gesamtleistungsverluste der PEM-Brennstoffzelle bestimmen:
- Kinetisch
- Ohmsche
- Massentransport bedingte
Die Experimente wurden an der Brennstoffzellen-Teststation der Elektrochemie-Gruppe im Department of Chemistry der North Eastern University in Boston, USA, durchgeführt.
Die Experimente wurden mit einem AUTOLAB PGSTAT302N durchgeführt, gesteuert durch die NOVA-Software. Für die EIS-Messungen wurde das FRA32-Modul verwendet, das von der NOVA-Software gesteuert wurde. Als Last wurde der 10 A Booster eingesetzt.
Die für die Experimente verwendete Brennstoffzelle war eine Einzelzelle mit einer geometrischen Oberfläche von 5 cm2 bestehend aus einer Nafion-Polymerelektrolytmembran. Die Elektroden bestanden aus einer Dünnfilm- Katalysatorschicht. Die Elektroden wurden an der Anode mit reinem Wasserstoff oder Wasserstoff mit geringen Mengen CO und an der Kathode mit Wasserstoff (für Referenzmessungen), Luft oder Sauerstoff beaufschlagt.
Die EIS-Experimente wurden unter potentiostatischer Kontrolle durchgeführt. Für die Zelle mit Wasserstoff an der Kathode wurden die EIS-Experimente beim OCP (0,0 V) durchgeführt. Für die Experimente mit Luft und Sauerstoff wurden Spannungen von 0,8 V, 0,6 V und 0,4 V angelegt. Es wurde ein Frequenzbereich von 10 kHz – 0,01 Hz verwendet. Die AC-Amplitude wurde auf 10 mV eingestellt.
In Abbildung 1 werden die Ergebnisse des EIS-Experiments mit H2 an der Kathode mit denen mit O2 und Luft an der Kathode verglichen.
Wenn sich nur Wasserstoff sowohl an der Anoden- als auch an der Kathodenseite der Elektrode befindet, findet an der Kathode keine Reduktionsreaktion statt, und man misst lediglich die ohmschen Verluste an der Membran. Wenn der Wasserstoff an der Kathode durch Sauerstoff ersetzt wird, kommt es zu einer Reduktion des Sauerstoffs an der Kathode. Somit kann der Ladungstransferwiderstand der Reduktionsreaktion gemessen werden. Wenn Sauerstoff an der Kathode durch Luft ersetzt wird, zeigt sich der Effekt des Massentransports. Der Sauerstoff muss durch den in der Luft vorhandenen Stickstoff diffundieren, um die Kathodenoberfläche zu erreichen. Dies führt zu einem Anstieg des Polarisationswiderstands aufgrund des Diffusionswiderstands, wie in Abbildung 1 gezeigt .
In Abbildung 2 ist der Effekt der Vergiftung des Katalysators durch CO zu sehen. Mit dem Einbringen von CO in Luft auf der Anodenseite, steigt der Ladungstransferwiderstand für die Oxidation von Wasserstoff aufgrund der Vergiftung des Katalysators.
Mit dem Einbringen von CO in Luft auf der Anodenseite, erhöht sich der Ladungstransferwiderstand für die Oxidation von Wasserstoff aufgrund der Vergiftung des Katalysators.
- M. Ciureanu, R. Roberge, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 3531-3539
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